張子強

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

1 引 言

我國作為世界上地質條件最為復雜的國家之一，巖溶、地下水是國內隧道工程中不可避免的問題[1-3]。它們會造成隧道中涌水、突泥等嚴重事故，延緩施工進度，進而造成巨大的施工安全隱患以及無法估量的經濟損失[4-7]。目前，隧道施工過程中的超前探測主要依靠地震波反射法、地質雷達、超前鉆探等方法，無法針對地下水、巖溶等低阻異常體的特征進行精確預報[8-11]。

瞬變電磁法以巖石與低阻異常體之間的導電性差異為物質基礎，利用低頻電磁信號穿透能力強、對低阻體反映靈敏、不受高阻體屏蔽及探測深度大等特點，通過視電阻率(反映巖石和礦石導電性變化的參數(shù)，定義為按測定均勻水平大地電阻率的方法和計算公式求得的電阻率，單位:Ω·m)值的差異及視電阻率等值線圖變化趨勢進行低阻異常體的精確探測[12-15]。

本文通過瞬變電磁法在地下水超前探測、地下水通道注漿封堵效果驗證和巖溶探測中的工程實例，證明了瞬變電磁法對隧道工程地質風險的預測和評估具有良好的效果。

2 方法原理

瞬變電磁法通過不接地回線(磁源)或者接地線源(電偶源)向前方發(fā)送一次脈沖電磁場，在該一次場的激發(fā)下，探測面前方各個地質體激勵出感應渦流，進而產生隨時間變化的感應電磁場，即二次場。

在一次脈沖磁場的斷電期間，利用二次場包含的豐富地質體地電信息，采用接地電極觀測二次渦流場，并通過提取、分析二次場隨時間的衰減特征等響應信息，達到探測、區(qū)分目標地質體的目的[16-19]。方法原理示意如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖Fig.1 Working principle of the transient electromagnetic method

3 工程實例

3.1 富水段落預報

3.1.1 工程概況

某新建高速鐵路隧道一號斜井，里程XDK0+300～XDK0+150，依據(jù)設計，如圖2所示。該段洞身為厚層砂巖，上覆地層中存在一礫巖夾層，厚約5 m，上覆灰?guī)r，為典型儲水層，如砂巖存在較大節(jié)理裂隙進而形成導水通道，則易發(fā)生隧道突涌水事故。

圖2 地質概況Fig.2 Geological situation

前期施工做業(yè)TSP的結果如圖3所示。由圖3可知XDK0+220附近橫波波速明顯下降，縱橫波速比降低，推測為地下水發(fā)育段落[20,21]，因此，決定采用瞬變電磁法對比驗證其地下水探測效果。

圖3 TSP預報成果Fig.3 TSP prediction results

3.1.2 現(xiàn)場布置參數(shù)

在里程XDK0+300施做瞬變電磁，掌子面從左向右共布置測點8個。每個測點朝向頂板45°、正前方、底板45°三個方向，保證對掌子面前方拱頂、正前方、隧底巖層電性變化情況的全方位探測，測點布置如圖4所示。

如圖3為室溫下(20 ℃),TLS輸出的SP光波長為1 550 nm,SP光功率為0.5 mW當980泵浦功率達到33 WM時,圖3所示測試系統(tǒng)的多波長光纖激光器產生第1階stokes光,stokes光頻移vB為0.084 nm。

圖4 瞬變電磁法測點布置示意圖Fig.4 Arrangement of measuring points in transient electromagnetic method

3.1.3 成果分析及開挖驗證

對原始數(shù)據(jù)加以處理，結果顯示：掌子面前方60～80 m(XDK0+240～XDK0+220)，電阻率等值線密集，推測該段節(jié)理裂隙密集發(fā)育，掌子面前方80～100 m(XDK0+220～XDK0+200)，掌子面由左向右等值線圖逐漸變?yōu)槊黠@的藍色系，推測該段落地下水較發(fā)育，具體富水區(qū)域從掌子面左側向右側延伸，如圖5所示。

圖5 瞬變電磁法預報成果Fig.5 Prediction results of transient electromagnetic method

在此基礎上，通過三維成圖做全空間分析，如圖6所示，該儲水層體積約為200 000 m3。因此，綜合分析瞬變電磁法和TSP預報結果，建議現(xiàn)場實際開挖過程中密切關注掌子面富水情況及位置變化，提前制定防排水措施。

圖6 瞬變電磁法三維全空間顯示Fig.6 3D full space display of transient electromagnetic method

現(xiàn)場開挖到里程XDK0+220(圖4中探測距離80 m處)時，掌子面現(xiàn)一出水點，位于左側拱頂，呈股狀噴出，出水量約150 000 m3，里程XDK0+217處出水點向右側移動，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場開挖驗證Fig.7 Verified by excavation

3.2 地下水注漿封堵效果檢測

3.2.1 檢測結果及分析

在上一節(jié)XDK0+217掌子面持續(xù)出水15天后，現(xiàn)場在該里程處進行帷幕注漿，注漿后在掌子面再次施做瞬變電磁，結果如圖8所示。

圖8 瞬變電磁法注漿封堵效果檢測成果Fig.8 Results of grouting plugging effect detection by transient electromagnetic method

結果顯示：掌子面前方40 m范圍內(XDK0+217～XDK0+177)，電阻率升高，等值線相對均勻，且變化趨勢緩慢，推測該段落地下水輕微發(fā)育，注漿效果良好。

3.2.2 開挖跟蹤驗證

在里程XDK0+217的后續(xù)開挖過程中，無明顯的突涌水現(xiàn)象發(fā)生，如圖9所示，推測地下水通過砂巖地層的節(jié)理裂隙經由其他方向導走。

圖9 現(xiàn)場開挖驗證Fig.9 Verified by excavation

3.3 拱頂巖溶探測

3.3.1 工程概況

某新建高速鐵路隧道，里程DK28+500～DK28+640，依據(jù)設計，該段洞身及其上方圍巖為炭質灰?guī)r，局部夾硅質炭質泥巖，洞身上方疑似存在巖溶發(fā)育及溶蝕破碎帶，如圖10所示。

圖10 地質概況Fig.10 Geological situation

3.3.2 現(xiàn)場布置參數(shù)

瞬變電磁法施做工作面里程DK28+560，探測拱頂上方巖溶發(fā)育情況，分別在洞身左右兩側布置一條測線，由掌子面后方拱頂至掌子面正前方，保證對里程DK28+500～DK28+640范圍內拱頂上方巖層電性變化情況的全方位探測。測點布置如圖11所示。

3.3.3 成果分析及鉆探驗證

對原始數(shù)據(jù)加以處理，結果顯示：掌子面后方40 m到掌子面前方拱頂存在明顯的低電阻率區(qū)域，位于頂板上方30～70 m范圍內，推測該區(qū)域存在明顯的軟弱巖層或巖溶發(fā)育，但不影響正常施工，如圖12所示。

圖12 瞬變電磁法拱頂巖溶探測成果Fig.12 Results of karst detection in vault by transient electromagnetic method

為驗證瞬變電磁法探測成果，在掌子面左右兩側分別做30 m超前鉆探一孔，方向斜向上30°，鉆探結果顯示，掌子面前方25 m洞身上方15 m范圍內圍巖強度及完整性較好，地下水不發(fā)育，可正常施工。

4 結 語

本次研究通過大量的現(xiàn)場實驗及幾個工程實例，證明了瞬變電磁法可應用于地下水超前探測、地下水通道注漿封堵效果驗證、巖溶探測等隧道工程地質風險的預測和評估中，并得出以下結論:

1)瞬變電磁法在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中具備探測方向多變、測點布置受場地限制較小等特點，尤其適用于鐵路等工程隧道中各類地質風險的預測和評估。

2)瞬變電磁法在隧道圍巖強度、完整性以及節(jié)理裂隙發(fā)育情況的探測過程中具有良好的效果，除此之外，瞬變電磁法對隧道開挖過程中遇到的含充填物巖溶發(fā)育、地下水富集等具有低電阻率特征的異常、風險點敏感程度較高，由此可以進一步確定異常體的規(guī)模、延伸方向。準確圈定其發(fā)育范圍，極大地提高了解決現(xiàn)場復雜地質問題的能力，為隧道施工提前做好預防措施，將施工風險降到最低。

3)通過對瞬變電磁法與TSP預報成果的綜合分析，瞬變電磁法對三維空間中地下水的位置、分布范圍及水量的預測都更為準確，進一步說明了瞬變電磁法在地下水異常的探測方面相較TSP存在明顯的優(yōu)勢。

4)隧道中的電磁環(huán)境、存在的金屬體會對瞬變電磁法的探測結果產生干擾，因此，在布置觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集之前需盡可能地排除干擾物。若無法排除，則需要保證測點避開干擾區(qū)域。