胡 赟

（重慶渝蓉高速公路有限公司，重慶市 401331）

0 引 言

進入21 世紀以來，隨著我國綜合實力的提升，國民經(jīng)濟進一步快速發(fā)展，工業(yè)技術逐漸增強，尤其是在基礎建設領域，已經(jīng)遙遙領先，位于世界前茅。伴隨著我國交通強國的進一步實現(xiàn)，一大批的高速公路、高速鐵路相繼建成通車。

特別是在我國西南地區(qū)修建高速公路時，由于地形起伏較大、地形地貌復雜，在選線時為保證行車的安全和舒適性，往往諸多的高速公路都存在較高的橋隧比，甚至部分高速公路的橋隧比高達80%以上。然而尤其是部分高速公路特長隧道的施工過程中，會遇到各種不良的地質(zhì)狀況，如巖爆、涌水、高應力、瓦斯、煤炭采空區(qū)等。

目前國內(nèi)針對隧道建設期不良地質(zhì)災害的調(diào)查，主要是采用鉆探、物探以及變形測量等方法危主要探測手段。常用的物探方法主要有反射波法、地質(zhì)雷達法，瞬變電磁法、直流電阻率法、激發(fā)極化法等。

煤炭采空區(qū)作為一種對隧道結構安全存在較大影響的不良地質(zhì)現(xiàn)象，不僅在施工期對隧道安全存在影響，運營期同樣存在一定的影響。

這主要是由于采空區(qū)地質(zhì)條件復雜。礦石開采后，巖石失去原有的支護系統(tǒng)，導致地質(zhì)平衡破壞，縱橫向劇烈變化，巖層不再均勻分布。地震反射法基于層狀非均質(zhì)地質(zhì)模型，適用于層狀非均質(zhì)地質(zhì)條件下的采空區(qū)探測?；诟哳l電磁波理論的探地雷達（GPR）是一種利用高頻無線電波確定地下介質(zhì)內(nèi)部分布的地球物理方法。確定探測目標的埋深。由于探地雷達采用高頻電磁波，根據(jù)表皮深度公式，最佳探測深度在10 m 以下，特別是在覆蓋層電阻率低的地質(zhì)條件下，探測深度最?。ㄍǔ?～5 m），對采空區(qū)的探測有很大限制。高密度電阻率法是探測巖溶、斷層等采空區(qū)的最佳地質(zhì)方法之一，但受場地條件限制。傳統(tǒng)的瞬變電磁法在采空區(qū)探測中發(fā)揮著重要作用，但在初始階段（過渡階段），發(fā)射線圈和接收線圈之間存在耦合，導致探測不穩(wěn)定。早期采集的探測數(shù)據(jù)造成了瞬變電磁探測的盲區(qū)，影響了淺層采空區(qū)的探測。

上述常規(guī)物探方法的不足之處和地質(zhì)災害調(diào)查過程中遇到的民房建筑、交通道路、復雜山體以及電磁干擾等因素制約這些物探方法的開展,有必要發(fā)展采空區(qū)探測新技術。等值反磁通瞬變電磁技術的出現(xiàn),解決了傳統(tǒng)瞬變電磁法中過渡過程的影響,消除了瞬變電磁探測盲區(qū)。高精度瞬變電磁法突破了高密度電阻率法、地質(zhì)雷達以及淺層地震探測地質(zhì)災害技術瓶頸,有效解決了淺層煤炭采空區(qū)探測的技術問題。

1 探測原理

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法，其數(shù)學物理基礎是基于導電介質(zhì)在階躍變化的場激發(fā)下引起渦流場的問題。其測量的基本原理是:利用不接地回線發(fā)送一次脈沖磁場，即在發(fā)射的基本原理是:利用不接地回線發(fā)送- 次脈沖磁場，即在發(fā)射回線上供一個電流波形，脈沖應該下降的瞬間，向地下傳播的瞬變一次場。在該一次場的激勵下，地下導電體中將產(chǎn)生渦流。一次場消失后，這種渦流不會立即消失，它將有一個過渡過程。隨之將產(chǎn)生一個衰彎的電磁場(二次場)向地表傳播;在地表用線圈或磁探頭觀測到的二閃場隨時間變化，將反映地下導電體的電性分布情況，不均勻體的賦存位置，形態(tài)和電性特征，見圖1。

圖1 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法測量系統(tǒng)主要由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程主要分為發(fā)射、電磁感應和接收三部分，見圖2。

圖2 瞬變電磁法工作方式

由于傳統(tǒng)的瞬變電磁發(fā)在淺層地質(zhì)勘探存在一定的不足，致使部分區(qū)域不能準確探測，其次是由于抗電磁干擾能力不強，容易受電磁場的干擾等問題，使得對一些存在電磁干擾的淺層地質(zhì)探測變得較為困難，近年來隨著技術的進一步提升，采用等值反磁通瞬變電磁法原理研制的HPTEM 高精度瞬變電磁系統(tǒng)的出現(xiàn)很好的解決了這一問題。

1.2 等值反磁通瞬變電磁法

等值反磁通瞬變電磁法（Opposing-coils transient electromagnetics 簡寫: OCTEM）是采用上下兩個相同且平行共軸的反向串聯(lián)磁性源為發(fā)射源，其對地產(chǎn)生的磁場矢量疊加為一次場，接收天線位于上下磁性源等距共軸的水平面上,上下兩個磁性源在接收水平面上產(chǎn)生的磁場具有等值反磁通特性,接收天線處于一次場零磁通面。在瞬態(tài)脈沖斷電瞬間,近地表的磁場最強，感應渦流的極值圓環(huán)聚焦于近地表,隨著關斷間歇的延時,又產(chǎn)生新的渦流極值圓環(huán),并逐漸向遠離發(fā)射源的方向擴散,擴散速度和極值的衰減幅度與介質(zhì)電阻率有關,隨著衰減時間的增加探測深度增大,這種消除收發(fā)天線互感的聚焦瞬變電磁測深方法稱為等值反磁通瞬變電磁法[1-7]，見圖3。

圖3 等值反磁通瞬變電磁裝置示意圖

2 工程實例

巴岳山隧道是國家高速G5003 渝蓉高速重慶段一座特長隧道，為該線路段重要控制性工程之一。隧道采用分離式設計，左、右洞軸線距離為18.8～44.6 m，設計隧道建筑限界寬16.25 m，限高8.20 m。左、右洞縱斷面設計為人字坡，左洞變坡點為K33+214.248；右洞變坡點為YK32+214.248。設計參數(shù)見表1。

表1 巴岳山公路隧道設計相關參數(shù)

隧道自2013 年12 月份運營通車后多次發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌表面存在超限裂縫、局部混凝土掉落等危機行車安全的病害。其中在2014 年9 月4 日發(fā)現(xiàn)巴岳山隧道左線K35+168 行車方向右側襯砌出現(xiàn)由拱腳向上延伸至拱腰處的豎向裂縫，裂縫寬10.00 mm，長4.00 m，現(xiàn)場病害照片見圖4、圖5。

圖4 K35+168 段襯砌開裂

圖5 K35+168 段襯砌開裂處觀測玻璃條斷裂

同年11 月15 日，右隧YK35+268 處行車方向右側襯砌也出現(xiàn)由拱腳向上延伸至拱腰處的豎向裂縫，裂縫寬30.00 mm，長6.00 m。

2015 年6 月29 日、2016 年7 月7 日、2016 年7月15 日在左隧ZK35+220 處、右線YK35+268 處襯砌均再次出現(xiàn)沿拱腰延伸至拱頂?shù)呢Q向裂縫，且存在混凝土局部掉塊。具體見圖6、圖7。

圖6 ZK35+220 左洞二襯混凝土掉塊

圖7 YK35+268 右洞二襯混凝土掉塊

因巴岳山隧道修建時穿越煤礦礦區(qū)范圍，且煤礦在2013 年前后一年內(nèi)對隧道下方的礦區(qū)存在采掘活動，根據(jù)地表移動盆地的形成、地表移動盆地的特征、地表移動的影響因素、地表移動持續(xù)時間等因素綜合分析，隧道襯砌產(chǎn)生開裂、掉塊的主要原因是煤礦地下開采活動造成地表沉陷和水平位移所致。為進一步查明K34+900～K35+600 隧道范圍內(nèi)采空區(qū)的分布情況以及隧道洞身與煤層位置關系，采用高精度瞬變電磁法進行探測[10-12]。

3 探測方案

3.1 儀器設備

探測采用湖南五維地質(zhì)科技有限公司生成的HPTEM-18 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用等值反磁通法消除收發(fā)線圈之間的耦合；利用對偶中心耦合原理提高橫向分辨率；采用統(tǒng)一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏磁感應接收傳感器、高速采集卡以及高密度測量技術實現(xiàn)淺層高精度瞬變電磁法勘探。

HPTEM-18 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)由HPTEM天線、儀器主機、12V 外接電池和PC 控制交互平臺四個部分組成，見圖8。系統(tǒng)參數(shù)與性能指標見表2。

表2 系統(tǒng)參數(shù)與性能指標

圖8 HP TEM-18 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)

3.2 測線布置

HPTEM 測線按任務要求布置物探測線（見圖9）：

圖9 測線布置示意圖

（1）左隧道（中間行車道）K34+900～K35+550 段點距5 m；

（2）右隧道（中間行車道）YK34+900～YK35+600段點距10 m；

（3）右隧道（超車道）YK34+900～YK35+380 段點距10 m。

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

在野外正式開展工作前要對測區(qū)進行試驗工作：首先進行自檢調(diào)平，然后再發(fā)送不同頻率，進行數(shù)據(jù)觀測。根據(jù)試驗結果，選定工作參數(shù)。按照測深控制范圍在0～400 m 的原則，本次工作中采用的發(fā)射頻率為2.5 Hz，發(fā)射電流10.2A，疊加次數(shù)100 次。然后根據(jù)實測點與檢查點制作衰減曲線對比圖，見圖10。

圖10 中黑色線條為原始曲線，彩色線條為檢查點曲線。由圖10 可見，除初期個別數(shù)據(jù)點外，檢查點曲線與原始曲線基本重合。即在對本段開展的HPTEM 電磁測深數(shù)據(jù)采集是可靠的。

3.4 數(shù)據(jù)處理解釋

（1）處理流程

針對HPTEM 數(shù)據(jù)，采用5DEM 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對高精度瞬變法資料進行處理。在處理過程中，首先對野外數(shù)據(jù)進行剔飛值、去噪、靜態(tài)校正及近場校正等處理，然后進行一維及二維反演成像，再計算出視電阻率，生成視電阻率斷面圖，具體操作流程見圖11。

圖11 HP TEM 資料的處理解釋流程

（2）全區(qū)視電阻率計算

從瞬變電磁場的傳播過程來看，存在早期、晚期場之分，早期瞬變電磁場是內(nèi)近地表的感應電流產(chǎn)生的，反映淺部電性分布;晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產(chǎn)生的，反映深部的電性分布。由于地磁場性質(zhì)的不同，早期或者晚期定義之公式也不相同。常用的重疊回線裝置若采用晚期場計算公式，會造成中早延時段視電阻率增大，產(chǎn)生很大誤差，造成淺部勘探盲區(qū)很大，所以一般采用全區(qū)視電阻率的計算公式。

任何投資都存在風險，購買個人理財產(chǎn)品本身也是一種投資，其本身也存在一定的風險，而我國居民大都對風險的認知程度不夠，僅僅看重收益率。2018年6月份以來頻頻爆出的P2P“暴雷”事件就是一個很好的佐證。實質(zhì)上，理財產(chǎn)品其本身是存在一定風險，即使是保本型理財產(chǎn)品也要面臨著通貨膨脹風險，忽視風險可能會導致個人投資者產(chǎn)生一定的財產(chǎn)損失。

a. 早期視電阻率計算公式

b. 晚期視電阻率計算公式

3.5 結果資料解釋

根據(jù)地質(zhì)勘探資料巴岳山隧道的煤層主要為三疊系上須家河組（T3xj5） 第五段的煤層與第三段（T3xj3）的煤層。兩層煤均發(fā)育在泥巖、頁巖中，在分析中，如果能找到低阻的泥巖和頁巖層，就可以確定煤層的位置。結合已知資料綜合分析可得到煤層采空的范圍；根據(jù)巖性產(chǎn)狀，如有大面積垂直性低阻，有可能為采空區(qū)后發(fā)生的巖層塌落。

從HPTEM 視電阻率斷面圖可見，向右傾斜的三處低阻，推斷為T3xj3 的采空區(qū)，用紅色網(wǎng)格標注；向右傾斜的較低阻，推斷為T3xj3 的疑似采空區(qū)或者煤層，用黑色實線和黑色網(wǎng)格標注；以K35+360為中心的里程附近地，基巖中局部有斷開現(xiàn)象，推測為煤層采空后引起的巖體塌落，用紅色線表示。

根據(jù)以上解釋原則，并結合隧道地勘資料，對巴岳山隧道范圍內(nèi)的煤層、采空區(qū)及地層巖性做出了綜合解釋，分別形成了隧道左、右線的物性地質(zhì)斷面圖，見圖12～圖14。

圖12 巴岳山左隧道K34+900～K35+550 視電阻率斷面圖

圖13 巴岳山右隧道K35+050～K35+140 視電阻率斷面圖

圖14 巴岳山右隧道K35+050～K35+140 視電阻率斷面圖

根據(jù)電阻率斷面圖分析，推斷此斷面上有處疑似采空區(qū)（或煤層）、三處采空區(qū)；以35+360 為中心的里程附近地，基巖中局部有斷開現(xiàn)象，推測為煤層采空后引起的巖體塌落。

4 結論

4.1 結論

（1）采用高精度瞬變電磁系統(tǒng)在運營隧道煤礦采空區(qū)位置的探測項目中，取得良好的效果。

（2）對運營隧道由于受現(xiàn)場條件的限值，傳統(tǒng)的物探方法施展起來存在一定的困難，且探測效果也不是很理想。而高精度瞬變電磁系統(tǒng)由于設備體積小，重量輕、便攜方便等特點，適合野外作業(yè)。其次采用微線圈收發(fā)一體天線、抗干擾能力強、系統(tǒng)分辨率高、能夠很高的解決了統(tǒng)TEM 法探測存在淺層盲區(qū)的難題，有效的提高了探測精度[6]。

（3）由于物探技術屬于無損檢測，在具體項目實施中應將采集成果結合鉆探結果綜合分析，以便才能得到更為準確的勘探結果。本項目根據(jù)物探結果并結合鉆孔驗證，結果顯示采用HPTEM-18 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)探測結果與實際情況較為一致。

（4）可用于其它類似項目的探測。

4.2 建議

由于采用HPTEM-08 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)進行作業(yè)一般都是在野外進行，為保證數(shù)據(jù)的準確性，在野外作業(yè)時應做好如下措施：

（1）野外探測過程中，要將天線水平放置，以便保證數(shù)據(jù)的有效性；

（2）天線與儀器主機放置相距大于4 m，在保證連接線夠長的情況，距離盡量遠；

（3）天線與操作筆記本電腦保持5 m 以上距離，避免電腦對數(shù)據(jù)的干擾；

（4）操作電腦與儀器主機在水平通視狀態(tài)下，距離不超30 m；

（5）現(xiàn)場人和動物遠離天線，傳輸線纜不纏繞或繞圈。