許波、徐春明、燕軻、戴夏斌、嚴(yán)鵬

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京210014）

0 引言

灰?guī)r區(qū)巖溶問(wèn)題是各類工程問(wèn)題的重大隱患，在灰?guī)r分布區(qū)進(jìn)行道路、橋梁及隧道等基礎(chǔ)施工，往往因未查明的巖溶、土洞等發(fā)育所引發(fā)的塌陷而造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此在勘察設(shè)計(jì)階段，需查明灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育情況，以最大限度保證施工安全。

采用物探技術(shù)手段探測(cè)灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育分布特征，是較為經(jīng)濟(jì)且有效的勘察方法，其主要涉及面波法、高密度電法、彈性波CT 以及瞬變電磁法等。本文將重點(diǎn)討論瞬變電磁法在隧道工程灰?guī)r區(qū)巖溶勘察中的應(yīng)用。

1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不同接地回線（線圈）向被測(cè)地質(zhì)體發(fā)射脈沖式電場(chǎng)作為場(chǎng)源（一次場(chǎng)），以激勵(lì)被測(cè)體產(chǎn)生二次場(chǎng)，在發(fā)射脈沖的間隙利用接地回線（線圈）接收二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng)。從接收的二次場(chǎng)數(shù)據(jù)中分析出地質(zhì)體異常導(dǎo)電體的位置，從而達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的。

等效電流環(huán)很像從發(fā)射回線中“吹”出來(lái)的一系列“煙圈”，向外擴(kuò)散的過(guò)程被形象地稱為“煙圈效應(yīng)”[1-2]。從“煙圈效應(yīng)”的觀點(diǎn)來(lái)看，早期瞬變電磁場(chǎng)是由近地表的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場(chǎng)主要是由深部的感應(yīng)電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。因此，觀測(cè)和研究大地瞬變電磁場(chǎng)要隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以探測(cè)大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測(cè)深的原理。

中南大學(xué)自主研發(fā)生產(chǎn)的等值反磁通瞬變電磁區(qū)別于傳統(tǒng)的單磁源瞬變電磁，在抗干擾性及精度上做了較大創(chuàng)新改進(jìn)，其最大優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用反磁通瞬變電磁技術(shù)，很大程度上減少了傳統(tǒng)瞬變電磁淺層地質(zhì)勘探存在的“盲區(qū)”及抗電磁干擾能力弱問(wèn)題的發(fā)生，且該系統(tǒng)便攜化了收發(fā)天線，提高了儀器穩(wěn)定性，校準(zhǔn)了早期純二次場(chǎng)測(cè)量，并改進(jìn)了瞬變電磁快速反演技術(shù)。

2 常規(guī)瞬變電磁法巖溶探測(cè)應(yīng)用（徐州某隧道）

2.1 隧道工程地質(zhì)條件

該隧道區(qū)屬低山丘陵地貌，地面標(biāo)高115～142m。山體呈北東向展布，山體標(biāo)高為110～171m，相對(duì)高差0～60m，具有南坡陡、北坡緩的特點(diǎn)，自然坡度在15～35°。組成山體巖石多碳酸鹽巖類及碎屑巖類，局部巖體裸露，植被較稀少，巖溶裂隙較發(fā)育。

地層主要由寒武系中厚層石灰?guī)r、泥頁(yè)巖組成，淺部局部分布全新統(tǒng)殘積碎石及全風(fēng)化泥頁(yè)巖。該工程場(chǎng)區(qū)基巖出露較多。

隧道位于大洞山—南許陽(yáng)復(fù)背斜：位于大洞山—南許陽(yáng)一帶，軸向北東，東端昂起，向南西傾伏，核部為震旦系九頂山組，兩翼為寒武系。隧道位于該背斜的南翼，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，存在一條小型斷裂F23 呈NW 向斜穿隧道，為一走向近NW290°向的正斷層。推測(cè)該斷裂寬約50m，斷層上盤為寒武系泥頁(yè)巖，下盤為寒武系灰?guī)r，該斷裂斜穿隧道，沿線圍巖破碎，對(duì)隧道穩(wěn)定影響較大，灰?guī)r產(chǎn)狀265°∠24°，泥頁(yè)巖產(chǎn)狀225°∠15°。

隧道區(qū)地下水主要為基巖裂隙水及巖溶水?；鶐r裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化基巖及破碎中風(fēng)化基巖中。由于巖層破碎，裂隙發(fā)育，基巖透水性較好，含水性較差，因此以向下入滲排泄為主。深部由于其裂隙閉合，多為礦物充填，含水性與透水性減弱[3]。

2.2 常規(guī)瞬變電磁應(yīng)用解譯及分析

隧道位于低山丘陵地質(zhì)區(qū)，地形起伏變化較大，地層巖性較多，變化較大，場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育有斷裂，地下水發(fā)育，巖溶發(fā)育，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。應(yīng)用傳統(tǒng)的高密度電法作業(yè)較為困難，隧道埋深較淺約60m，綜合考慮選取瞬變電磁作為隧道洞身探測(cè)技術(shù)手段較為適宜。測(cè)線布置以沿隧道洞身中心線布設(shè)一條左洞縱測(cè)線，結(jié)合勘察鉆孔資料對(duì)隧道左洞成果進(jìn)行綜合解譯。

左線洞身里程范圍為K10+205—815，探測(cè)成果整體顯示以小里程段高阻為主、大里程段低阻為主，中間見(jiàn)有較為明顯的高低阻接觸帶。結(jié)合勘察鉆孔資料，小里程段高阻以灰?guī)r為主，淺部低阻區(qū)為泥巖；大里程段低阻以泥巖為主，深部見(jiàn)有高阻灰?guī)r；高低阻接觸面推測(cè)為斷層F23，也為灰?guī)r泥巖接觸面，灰?guī)r段見(jiàn)有低阻異常，推測(cè)為巖溶發(fā)育。綜合瞬變電磁探測(cè)成果，對(duì)巖溶發(fā)育及斷層進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，低阻異常區(qū)見(jiàn)有巖溶約2.5m，半充填；高低阻接觸帶斷層異常，見(jiàn)有巖體破碎斷層角礫巖。測(cè)區(qū)各地層視電阻率特征如下：一是覆蓋層多顯示為低阻，測(cè)線段表層電阻率顯示為高阻，推測(cè)為地表基巖出露；二是下覆基巖顯示為高阻；三是巖溶發(fā)育帶斷層破碎帶、裂隙密集帶，含水率較高，電阻率相對(duì)完整巖石較低。從視電阻率上反映，以上不良地質(zhì)體均顯示為低阻，完整巖石顯示為高阻。

結(jié)合勘察鉆孔資料，以視電阻率值對(duì)上述解譯進(jìn)行劃分（見(jiàn)表1）。隧道右線與左線視電阻率劃分范圍基本一致，但視電阻率值整體偏低，對(duì)于巖體的圍巖等級(jí)、破碎區(qū)等細(xì)致劃分不夠細(xì)致，做到量化標(biāo)準(zhǔn)的劃分有所難度，但這個(gè)問(wèn)題在等值反磁通瞬變電磁中得到較大改進(jìn)。

表1 地層及異常視電阻率劃分

3 等值反磁通瞬變電磁在巖溶區(qū)隧道勘察中的應(yīng)用（溧陽(yáng)某隧道）

3.1 隧道工程地質(zhì)條件

該隧道區(qū)屬低山殘丘地貌，海拔標(biāo)高22～158m。山體東部坡度較陡，西部坡度較緩，山體植被茂密，山體自然坡度10～40°左右。

地層主要有二疊系灰?guī)r和硅質(zhì)頁(yè)巖、侏羅系凝灰?guī)r，淺部分布第四系全新統(tǒng)殘坡積層，巖土種類多，不均勻，性質(zhì)變化大。該工程場(chǎng)區(qū)為復(fù)雜地基。

隧道區(qū)斷裂發(fā)育，按斷裂類型劃分為正斷層和平移斷層。分組概述如下：正斷層（f13、f14、f15）：f13 斷層于隧道暗挖處斜交，上盤為大王山組安山巖，下盤為大王山組安山巖，產(chǎn)狀164°∠75°；f14 斷層于隧道暗挖處斜交，上盤為大王山組安山巖，下盤為孤峰組頁(yè)巖、灰?guī)r，產(chǎn)狀164°∠75°；f15 斷層于隧道暗挖處斜交，上盤為孤峰組頁(yè)巖，下盤為孤峰組頁(yè)巖、灰?guī)r，產(chǎn)狀320°∠55°。平移斷層（f6、f7、f8、f9）：f6、f7、f8 和f9 為壓性右行平移斷層，切割棲霞組、孤峰組和大王山組地層，產(chǎn)狀280～340°∠近90°；f6 斷層于隧道暗挖處斜交，同時(shí)切割斷裂f13、f14 和f15。

根據(jù)地下水埋藏特征，場(chǎng)地地下水類型為潛水、基巖裂隙水（構(gòu)造裂隙水）、巖溶水。潛水主要賦存于淺部填土及粉質(zhì)黏土夾碎石中，接受大氣降水的入滲補(bǔ)給和地表水側(cè)向補(bǔ)給，以垂直蒸發(fā)和徑流方式排泄，地下水位年變幅約為1.0m。基巖裂隙水（構(gòu)造裂隙水）主要賦存于風(fēng)化基巖、構(gòu)造裂隙中，接受大氣降水、潛水的入滲補(bǔ)給，以徑流方式排泄，巖體破碎，裂隙、構(gòu)造和巖溶發(fā)育，基巖透水性較好[4]。

3.2 等值反磁通瞬變電磁應(yīng)用解譯及分析

隧道位于低山殘丘工程地質(zhì)區(qū)，地勢(shì)起伏較大，地層巖性較多，不均勻，性質(zhì)變化較大，同時(shí)隧址區(qū)斷裂發(fā)育，巖溶發(fā)育，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。該工程在大地電磁、高密度電法探測(cè)均不夠理想的情況下，選取等值反磁通瞬變電磁進(jìn)行探測(cè)，測(cè)線布置以沿隧道洞身中心線布設(shè)左右洞縱測(cè)線各一條，并結(jié)合勘察鉆孔資料對(duì)隧道成果進(jìn)行綜合解譯。

由反磁通瞬變電磁視電阻率值特征，分析得出地層視電阻率值規(guī)律大致如下。

粉質(zhì)黏土夾碎石層與全風(fēng)化安山巖視電阻率值較為約0～40Ω·m；安山巖整體視電阻率值約40～320Ω·m，其中強(qiáng)風(fēng)化安山巖約40～80Ω·m，破碎中風(fēng)化安山巖約80～340Ω·m；灰?guī)r視電阻率值較高約260～360Ω·m；硅質(zhì)頁(yè)巖視電阻率值30～250Ω·m。地質(zhì)病害異常體視電阻率值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。依據(jù)場(chǎng)地地球物理特征，充填型巖溶一般以低于圍巖電阻率值特征為主，空洞型巖溶以高于圍巖電阻率值特征為主。

表2 地質(zhì)病害體視電阻率值統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合鉆孔隧道左線揭示溶洞主要為半充填大規(guī)模溶洞，推測(cè)高阻封閉區(qū)為溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)1 及溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)2；隧道右線揭示溶洞主要為充填型溶洞，推測(cè)低阻封閉區(qū)為溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)3 及溶洞強(qiáng)發(fā)育區(qū)4。隧道左右線均見(jiàn)有嚴(yán)重溶蝕區(qū)，具體表現(xiàn)為嚴(yán)重溶蝕區(qū)內(nèi)橫向視電阻率高阻低阻相隔分布，推測(cè)嚴(yán)重溶蝕區(qū)內(nèi)灰?guī)r破碎，局部溶洞溶蝕發(fā)育嚴(yán)重，該表現(xiàn)與灰?guī)r內(nèi)部裂隙發(fā)育相關(guān)，客觀上存在隨機(jī)性。另結(jié)合地質(zhì)資料，推測(cè)二處斷裂均為低阻反應(yīng)。

后經(jīng)超前預(yù)報(bào)人員及施工單位反饋?zhàn)C實(shí)，左線巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)1、2 為大規(guī)模空洞型巖溶發(fā)育，巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)1 的規(guī)模超出隧道頂板及底板；右線巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)3、4 為大規(guī)模充填型巖溶發(fā)育，規(guī)模接近隧道頂板及底板。由于電磁法具有體積效應(yīng)，異常圈定異常尺寸往往會(huì)大于實(shí)際異常尺寸，因此一般鉆孔驗(yàn)證在異常中心點(diǎn)下鉆。

反磁通瞬變電磁處理軟件需輸入基準(zhǔn)阻值參數(shù)，依據(jù)地層淺層地層電阻率情況，給予最接近地層真實(shí)電阻率數(shù)值，作為數(shù)據(jù)反演處理的重要參數(shù)之一，使得整體地質(zhì)地層視電阻率值更接近于真實(shí)地層電性模型結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行量化標(biāo)準(zhǔn)的判定，同時(shí)采用的反向?qū)ε即旁粗行幕鼐€裝置觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高了反應(yīng)電阻率的靈敏度[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁法作為一種無(wú)損物探探測(cè)技術(shù)，在其裝置及施工方式得到較大創(chuàng)新改進(jìn)后，外業(yè)操作大為便利（以等值反磁通瞬變電磁為例），較大提高了外業(yè)施工效率。在探測(cè)深度與精度上具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地應(yīng)用于道路、橋梁及隧道等各類工程中。

圍繞瞬變電磁在隧道工程巖溶探測(cè)中實(shí)際應(yīng)用案例，等值反磁通瞬變電磁采用的反向?qū)ε即旁粗行幕鼐€裝置觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高了反應(yīng)電阻率的靈敏度，與此同時(shí)也極大縮小了傳統(tǒng)瞬變電磁探測(cè)過(guò)程中的淺部盲區(qū)，并且等值反磁通瞬變電磁在數(shù)據(jù)處理中創(chuàng)新性地提出基準(zhǔn)阻值參數(shù)，其依據(jù)淺層地層電阻率情況，給予最接近地層真實(shí)電阻率數(shù)值。作為數(shù)據(jù)反演處理的重要參數(shù)之一，使得地質(zhì)地層視電阻率值反演后更接近于真實(shí)地層電性模型結(jié)構(gòu)，從而對(duì)地層進(jìn)行量化標(biāo)準(zhǔn)的判定，結(jié)合鉆孔資料證實(shí)其對(duì)巖溶探測(cè)有效性以及數(shù)值量化劃分地層規(guī)律，以及地層病害異常的可行性，為隧道工程圍巖等級(jí)劃分提供可參考的量化指標(biāo)，對(duì)巖溶區(qū)隧道工程勘察具有較好的借鑒與指導(dǎo)意義。