周 超 張 碩 任金龍 趙思為

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 研究背景

在鐵路工程前期勘察中，選線工作會(huì)遇到許多工程地質(zhì)問題，如巖溶、采空區(qū)、斷層破碎帶等，如果這些不良地質(zhì)體在前期勘察中未查明，會(huì)對后期鐵路施工和運(yùn)營帶來較大安全風(fēng)險(xiǎn)。如成貴高鐵玉京山隧道開挖過程中遇到了巨型溶洞，處理耗費(fèi)了將近3年時(shí)間，給施工帶來諸多不便[1]；滬昆高鐵何家地隧道出口煤窯采空區(qū)嚴(yán)重影響了隧道的正常施工[2];宋輝等認(rèn)為，隧道施工過程中如遇斷層破碎帶則會(huì)引起較大規(guī)模的坍塌和涌水突泥[3]。因此，需要采用合理的地質(zhì)勘察手段，使鐵路線路規(guī)避上述不良地質(zhì)體的影響，從而減少后期鐵路施工和運(yùn)營的安全隱患。

地質(zhì)勘察常用手段有地表調(diào)查、鉆探和物探等，但是在實(shí)際工作中，地表調(diào)查無法查清不良地質(zhì)體的具體位置和影響范圍，而鉆探工作周期長，具有“一孔之見”的局限性，無法查清確切的影響范圍。近年來，物探方法日漸成熟，憑借其無損、高效等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于鐵路工程勘察工作中，且取得了一定的應(yīng)用效果。韓松和郭小平等利用淺層地震反射波法探測斷層和采空區(qū)，取得了較好的應(yīng)用效果[4-5]；范劍等應(yīng)用大地電磁法和航空電磁法查找鐵路隧道中的構(gòu)造，2種方法的勘探成果均能夠較為宏觀地給出斷層的位置[6-7]；張業(yè)利用高密度電法進(jìn)行鐵路路基巖溶勘察[8]。然而，上述各種方法也存在一定的局限性，淺層地震波反射法僅適用于地形較平坦、沉積環(huán)境較好、地層較為連續(xù)穩(wěn)定的工區(qū)；而大地電磁法和航空電磁法抗干擾能力較弱，且得到的結(jié)果較宏觀，僅比較適合大型地質(zhì)構(gòu)造的查找；高密度電法的探測深度有限，對于埋深較大的不良地質(zhì)體無能為力。

等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method，OCTEM)是一種新興的物探方法，已廣泛應(yīng)用于地災(zāi)、礦產(chǎn)、公路、城市地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。高遠(yuǎn)將OCTEM運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，且應(yīng)用效果良好[9]；鄺金堅(jiān)等將OCTEM應(yīng)用于某鉛鋅礦查找工作中，成功區(qū)分了碳質(zhì)板巖和陡立狀礦脈[10]；劉杰等應(yīng)用OCTEM對公路隧道塌陷區(qū)進(jìn)行了圈定[11]；李華等在城市地質(zhì)調(diào)查工作中，應(yīng)用OCTEM成功探測了城市地下空間膏鹽層[12]。不難看出，OCTEM是一種具有探測精度高、縱橫分辨率高、工作效率高、抗干擾能力強(qiáng)以及可適應(yīng)多種地形條件的物探手段，可以高精度地查明目標(biāo)體的分布發(fā)育情況。

鐵路工程前期勘察工作中，對于存在的巖溶、采空區(qū)和斷層破碎帶等不良地質(zhì)體，亟需一種適應(yīng)能力強(qiáng)且探測精度高的物探手段來查明。鑒于OCTEM的諸多優(yōu)勢，可以將該方法應(yīng)用于鐵路工程中，為線路方案比選提供詳盡可靠的依據(jù)。

2 OCTEM原理及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 方法原理

OCTEM基本原理與傳統(tǒng)的瞬變電磁法(TEM)無異，使用不接地的回線向地下發(fā)射雙極性脈沖電流激發(fā)電磁場，通過觀測二次磁場，達(dá)到探測目標(biāo)體分布的方法[13]。另外，OCTEM采用了等值反磁通技術(shù)，即采用上下平行共軸的兩個(gè)相同但電流方向相反的發(fā)射線圈，通以反向電流發(fā)射一次場，在該雙線圈源合成的一次場零磁通面上放置接收線圈，由于該平面上不受一次場關(guān)斷影響，其接收線圈接收到的為地下介質(zhì)產(chǎn)生的純二次場[14-15]，見圖1。

圖1 等值反磁通裝置示意

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)瞬變電磁法(TEM)會(huì)因?yàn)樵缙跀?shù)據(jù)存在的電磁耦合而造成早期信號失真，從而形成一個(gè)高度為數(shù)十米至上百米的勘探盲區(qū)[16]。而OCTEM通過消除接收線圈本身的感應(yīng)電動(dòng)勢來測得地下地質(zhì)體的純二次場響應(yīng)，解決了TEM存在淺層勘探盲區(qū)的難題。

HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)包含天線、主機(jī)、電腦和連接線，OCTEM主要技術(shù)特點(diǎn)見表1。

表1 OCTEM主要技術(shù)特點(diǎn)

3 OCTEM工作方法

在進(jìn)行鐵路工程勘察物探工作之前，應(yīng)先收集工區(qū)的地形地貌資料、地質(zhì)資料、鉆孔資料和巖石物性資料等，通過對收集到的資料進(jìn)行分析，確定工區(qū)是否具備開展OCTEM勘探的地電條件。OCTEM勘探主要分為野外數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理2個(gè)流程。

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行OCTEM野外數(shù)據(jù)采集正式工作之前，首先應(yīng)根據(jù)探測任務(wù)、精度要求和工點(diǎn)條件的不同，注意測網(wǎng)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置兩個(gè)方面的問題。

測網(wǎng)的布設(shè)主要是根據(jù)勘探目標(biāo)體及精度來決定，在鐵路工程勘察中，一般做完是沿線路的中線布置一條測線，點(diǎn)距為20 m，當(dāng)需對一些特定不良地質(zhì)體進(jìn)行精細(xì)查找時(shí)，往往布置網(wǎng)狀的測線，測線的間距以及測點(diǎn)距一般取10 m。

在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置工作之前，首先開展WIFI連接和儀器自檢工作，OCTEM野外工作采集軟件中參數(shù)主要有測點(diǎn)配置、發(fā)送頻率和疊加次數(shù)。測點(diǎn)配置即點(diǎn)號步進(jìn)設(shè)置，一般按實(shí)際測點(diǎn)距設(shè)置。

發(fā)射頻率需根據(jù)探測深度來選擇，HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)的常用發(fā)射頻率有25,12.5,6.25,2.5 Hz，頻率越低，勘探深度越大(見表2)。需注意的是，當(dāng)?shù)乇淼谒南低潦瘜雍穸冗^大時(shí)(>50 m)，會(huì)使OCTEM的勘探減小，這是由于土石層使得電磁波衰減過快，無法達(dá)到預(yù)期的探測深度。

表2 發(fā)射頻率與勘探深度關(guān)系

確定發(fā)射頻率后，需對疊加次數(shù)進(jìn)行設(shè)置，疊加次數(shù)包含疊加周期和重復(fù)次數(shù)，它的選擇主要與工區(qū)的噪聲水平相關(guān)。理論上疊加周期越大、重復(fù)次數(shù)越多，采集到的數(shù)據(jù)信噪比越高，但是會(huì)使采集時(shí)長大幅度增加，降低工作效率。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，頻率選擇25 Hz時(shí)，疊加周期宜為500次；頻率選擇12.5 Hz和6.25 Hz時(shí)，疊加周期宜為300次；頻率選擇2.5 Hz時(shí)，疊加周期宜為200次。重復(fù)次數(shù)都可設(shè)置為2次。但是由于各個(gè)工區(qū)噪聲水平的差異，在進(jìn)行正式采集工作之前，應(yīng)通過試驗(yàn)工作選擇疊加周期，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

OCTEM野外數(shù)據(jù)采集過程中，還需注意以下6點(diǎn)：①盡量將天線水平放置，最大傾斜度不超過10°，確保采集到數(shù)據(jù)的有效性；②在保證天線與主機(jī)連接線夠長的情況下，確保兩者的距離>4 m；③天線與采集電腦保持5 m以上距離，避免電腦對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾；④采集電腦與儀器主機(jī)保持水平距離≥20 m；⑤現(xiàn)場施測人員應(yīng)遠(yuǎn)離天線，同時(shí)確保連接纜無纏繞或繞圈；⑥在遇到強(qiáng)電磁干擾時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整測點(diǎn)位置，同時(shí)做好相應(yīng)的班報(bào)記錄，最后對資料進(jìn)行自評。

3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

野外工作結(jié)束后，使用OCTEM專用數(shù)據(jù)處理軟件HPTEMDataProcess對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，通過擬二維反演得到電阻率剖面，然后使用成圖軟件surfer進(jìn)行電阻率斷面編輯，最后結(jié)合已知地質(zhì)資料和鉆孔資料得到電學(xué)地質(zhì)斷面(見圖2)。

圖2 OCTEM數(shù)據(jù)處理流程

在使用HPTEMDataProcess進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，也需進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置：約束系數(shù)、反演系數(shù)、基準(zhǔn)阻值、目標(biāo)深度、開始時(shí)間和反演方法。

約束系數(shù)主要影響反演深度，在無鉆孔資料和其他地質(zhì)資料情況下，一般選擇1；反演系數(shù)主要影響數(shù)據(jù)的光滑度，一般選擇0.2～0.5；基準(zhǔn)阻值為地表電阻率預(yù)估值，根據(jù)工區(qū)實(shí)際情況選擇；最大深度根據(jù)實(shí)際情況而定，當(dāng)探測深度>60 m時(shí)，可將最大深度設(shè)置為“探測深度+20 m”；開始時(shí)間固定為80 μs。反演方法建議選擇瞬態(tài)弛豫反演法，可有效解決地表起伏過大對反演結(jié)果的影響，對巖溶、采空區(qū)和斷層等不良地質(zhì)體反應(yīng)敏感，雖然該方法所得的結(jié)果既不是真電阻率也不是視電阻率，而是“相對電阻率”，但是不影響對異常情況的判別。

4 工程實(shí)例

4.1 巖溶探測

該工區(qū)位于昆明市東北市郊，屬洪積堆積地貌，地形起伏較小，上覆第四系壓實(shí)填土和紅黏土，下伏基巖為二疊紀(jì)灰?guī)r夾白云巖，巖溶中等發(fā)育。工區(qū)周圍存在民房及工業(yè)廠房，道路、民用電線和高壓電線密布，電磁干擾非常嚴(yán)重，施工環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)的地震波反射法和電磁法勘探無法順利開展。因此，選擇抗干擾能力強(qiáng)的OCTEM進(jìn)行本次探測工作，沿著線路中線布置測線，點(diǎn)距為10 m，發(fā)射頻率為6.25 Hz，為了壓制周圍嚴(yán)重的電磁干擾，本次疊加周期選擇500，重復(fù)次數(shù)2次。

使用HPTEMDataProcess處理軟件和surfer成圖軟件，將野外數(shù)據(jù)生成相對電阻率斷面(見圖3)。綜合分析OCTEM法資料和地質(zhì)資料，以物探資料為主、地質(zhì)資料為輔，根據(jù)相對電阻率斷面中異常的形態(tài)和梯度高值位置確定異常邊界，將覆蓋層以下電阻率值≤350 Ω·m的區(qū)域判釋為巖溶。圖3顯示，縱向上視電阻率從上到下逐步遞增，橫向上高低阻相間，淺部的低阻帶為第四系覆土層的電性反應(yīng)。在小里程段顯現(xiàn)2個(gè)電阻率值明顯偏小的低阻異常區(qū)域，電阻率值<350 Ω·m，其中23 m附近為1個(gè)團(tuán)狀低阻異常，80 m處則為1個(gè)條帶狀的低阻異常，根據(jù)判釋原則，推測2處為巖溶發(fā)育的電性反應(yīng)。在23 m和80 m處分別進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，80 m處的部分巖芯見圖4，將2處驗(yàn)證鉆孔的柱狀圖投影到相對電阻率斷面相應(yīng)里程位置，23 m處的ZK-JC-34孔揭示了1個(gè)溶洞，與團(tuán)狀低阻異常相吻合；而80 m處的ZK-JC-35孔揭示了2個(gè)溶洞，與推測的溶洞位置相相符，也正是2處溶洞的存在導(dǎo)致該處表現(xiàn)為條帶狀低阻異常。

圖3 某新建鐵路巖溶OCTEM探測成果

圖4 80 m處溶洞鉆孔巖芯

綜上所述，在隧道洞身14～38 m和71～101 m處巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，對隧道后期施工影響較大。因此，后期隧道施工中應(yīng)特別注意安全，加強(qiáng)支護(hù)。

4.2 采空區(qū)探測

該工區(qū)位于云南省昭通市市郊，屬云貴高原丘陵區(qū)，地形起伏較小，地表覆蓋層為第四系人工棄土、松軟土、膨脹土、細(xì)角礫土與碎石土，下伏基巖為石炭系頁巖、泥巖、灰?guī)r和煤層。前期地質(zhì)調(diào)查資料顯示，工區(qū)內(nèi)除了分布大型煤礦之外，還存在小規(guī)模、無規(guī)律開采情況，采空區(qū)分布比較復(fù)雜且埋深較淺。工區(qū)地處市郊，周圍存在較強(qiáng)的震動(dòng)干擾和電磁干擾，常規(guī)的電磁法和地震波反射法并不適用。

按照探測任務(wù)布置了2條OCTEM測線，分別為WT1和WT2，點(diǎn)距取10 m，發(fā)射頻率取6.25 Hz，疊加周期取400，既能較好地克制電磁干擾又可兼顧工作效率。將原始數(shù)據(jù)通過擬二維反演得出相對電阻率斷面，見圖5。通過結(jié)合OCTEM法資料和地質(zhì)資料，以及相對電阻率斷面中異常的形態(tài)和梯度高值位置確定解釋原則：將覆蓋層以下電阻率值≤700 Ω·m的區(qū)域判釋為采空區(qū)。圖5中，2條測線的電阻率斷面都以中高電阻率值為背景，淺部的低阻帶為覆蓋土層或全風(fēng)化巖石的電性反映。在WT1測線180 m和240 m處，WT2測線140 m處，都存在圈閉的團(tuán)狀低阻異常，電阻率值<700 Ω·m，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料和解釋原則將3處判定為采空區(qū)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證OCTEM法的可靠性，分別在這3處進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，其中ZK-WT1-1和ZK-WT1-2號孔的部分巖芯情況見圖6，將3處鉆孔柱狀圖分別投影到電阻率斷面相應(yīng)里程處，揭示的采空區(qū)位置與物探異常判釋的采空區(qū)基本吻合。

圖5 某新建鐵路采空區(qū)OCTEM探測成果

圖6 WT1測線180 m和240 m處采空區(qū)鉆孔巖芯

查明的3處采空區(qū)均位于路基下方，且埋深都小于50 m，對線路影響較大，應(yīng)采取繞行或者采空區(qū)整治，才能確保鐵路后期運(yùn)營安全。

4.3 斷層探測

該工區(qū)位于重慶市，屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大，上覆土層為第四系人工填筑碎石土和粉質(zhì)黏土，基巖為侏羅系砂巖，巖性簡單。根據(jù)前期調(diào)查，工區(qū)內(nèi)發(fā)育F1斷層，其與設(shè)計(jì)線路相交，但確切位置和寬度不明。同時(shí)，設(shè)計(jì)線路周邊存在高壓電塔，電磁干擾較為嚴(yán)重。由于地形起伏較大，限制了淺層地震波反射法的應(yīng)用，而嚴(yán)重的電磁干擾則會(huì)讓常規(guī)的電磁法無法開展。

沿線路中線布置了1條OCTEM測線，點(diǎn)距取20 m，發(fā)射頻率取2.5 Hz。為了壓制周圍電磁干擾，提高資料信噪比，疊加周期取300，重復(fù)次數(shù)取2。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，得到結(jié)果見圖7，綜合分析OCTEM電阻率斷面，結(jié)合已有地質(zhì)資料，將電阻率斷面中電阻率值<800 Ω·m的貫通條帶狀低阻異常判釋為斷層破碎帶。圖7顯示，該段電阻率以中低阻為背景，說明砂巖風(fēng)化程度較高，垂向上電性分層明顯，電阻率隨著深度增加呈由低到高的規(guī)律性變化，符合砂巖地層中第四系覆蓋層-強(qiáng)風(fēng)化層-弱風(fēng)化層的地層結(jié)構(gòu)。在整個(gè)剖面中部位置存在1個(gè)向下延伸的低阻異常帶，電阻率值<800 Ω·m，推測為F1斷層破碎帶的電性反映。在230 m處進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，鉆孔巖芯揭示，該處的巖芯破碎且有斷層泥的存在(見圖8)。

圖7 某新建鐵路斷層OCTEM探測成果

圖8 230 m處鉆孔巖芯照

結(jié)合OCTEM成果和鉆探資料，F(xiàn)1斷層與隧道洞身相交于207～259 m，破碎帶寬約52 m，巖芯周圍巖體破碎，易形成富水或形成集氣通道，對后期隧道施工影響較大。

5 結(jié)論

將OCTEM應(yīng)用于鐵路工程勘察3種不良地質(zhì)體的勘察工作中，分析和評價(jià)OCTEM的應(yīng)用效果，得出以下結(jié)論。

(1)在OCTEM野外數(shù)據(jù)采集工作中，為獲得可靠原始數(shù)據(jù)，需對參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，并且滿足6個(gè)野外注意事項(xiàng)。而可靠的原始數(shù)據(jù)和合理的數(shù)據(jù)參數(shù)處理是后期數(shù)據(jù)處理和解釋的控制性因素。

(2)在實(shí)際工程應(yīng)用中，OCTEM較為準(zhǔn)確地探測出了3處溶洞、3處采空區(qū)的位置和埋深，以及1處斷層的位置和影響寬度，與已有地質(zhì)資料對應(yīng)較好。

(3)OCTEM縱橫分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高精度探測，不良地質(zhì)體在OCTEM成果上的電性反映與周圍背景巖層呈現(xiàn)出明顯差異性。因此，可根據(jù)OCTEM電阻率斷面，結(jié)合已有地質(zhì)調(diào)查資料，準(zhǔn)確圈定巖溶和采空區(qū)的分布范圍及埋深，確定斷層的位置及影響寬度。