瞬變電磁法在公路隧道工程勘測(cè)中的應(yīng)用

何國(guó)全

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

瞬變電磁法在公路隧道工程勘測(cè)中的應(yīng)用

何國(guó)全

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

以唐山市二環(huán)隧道工程勘察為例，利用瞬變電磁法進(jìn)行淺層采空區(qū)、巖溶探測(cè)的有效性試驗(yàn)研究。充分利用瞬變電磁法具有抗干擾能力強(qiáng)、橫向分辨率高、受地勢(shì)影響小、不受接地條件限制等特點(diǎn)，查明了該測(cè)區(qū)采空區(qū)、巖溶的位置及分布情況，后期鉆探驗(yàn)證表明所采用的方法是行之有效的。

瞬變電磁法;采空區(qū);巖溶

唐山市二環(huán)工程項(xiàng)目是唐山市重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，該工程的實(shí)施對(duì)加快推進(jìn)唐山市路網(wǎng)體系建設(shè)、完善城市基礎(chǔ)配套設(shè)施意義重大。二環(huán)路下穿唐津高速隧道工程，分南北兩幅，北側(cè)隧道長(zhǎng)410 m，南側(cè)隧道長(zhǎng)415 m，隧道寬度16 m。該隧道工程位于唐山市開平區(qū)二環(huán)路與唐津高速交匯處。

根據(jù)工地現(xiàn)場(chǎng)情況，沿南北兩側(cè)隧道軸線布置了2條剖面，利用瞬變電磁法進(jìn)行勘測(cè)。勘探過(guò)程中部分測(cè)點(diǎn)受廠房等建筑物影響，探測(cè)位置進(jìn)行了微調(diào)或舍棄，查明了溶洞、采空區(qū)的位置和分布情況，達(dá)到了預(yù)期的勘察效果。

1 地質(zhì)概況與地球物理特征

本勘測(cè)區(qū)地處中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶馬蘭峪復(fù)式背斜開灤臺(tái)凹的中部?；讟?gòu)造較復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，本區(qū)附近主要褶皺構(gòu)造為開平向斜，主要斷裂構(gòu)造有唐山斷裂、陡河斷裂。

隧道路線西端進(jìn)口為露天采石場(chǎng)，地形起伏較大，地勢(shì)陡峭，場(chǎng)坑中無(wú)鋪設(shè)通路，通行極為困難。隧道路線東端進(jìn)出口為人工開挖山谷階地，出口為廠區(qū)廠房，洞身部位有開鳳路及唐津高速橫穿，擬建隧道主要貫穿于開平向斜西北翼形成的丘陵中，地形起伏較大。

根據(jù)收集到的地質(zhì)及鉆探資料，勘察區(qū)情況如下:地表覆蓋第四系(多為雜填土、殘積土、粉質(zhì)粘土、粘土等組成)，下伏基巖由泥巖、泥灰?guī)r、砂巖、煤巖和石灰?guī)r組成。第四系覆蓋層電阻率不超過(guò)70 Ω·m;煤系地層電阻率為25～50 Ω·m，泥巖、泥灰?guī)r電阻率不超過(guò)100 Ω·m;采空區(qū)由于被采空，在未充水情況下為高阻特征，在充滿水條件下為低阻特征。已知地質(zhì)資料表明采空區(qū)位于潛水面以上，因此采空區(qū)內(nèi)不會(huì)充滿水，一般呈高阻反應(yīng);巖溶由于充填粘土等物質(zhì)而呈低阻特征。由此可見本次勘探的目標(biāo)體與圍巖存在著明顯電性差異，完全具備開展瞬變電磁測(cè)深法工作的地球物理前提條件［1］。因此，利用此法查明地下采空區(qū)、巖溶及其分布是有效和可行的。

冬末春初勘測(cè)，沒(méi)有植被和農(nóng)作物生長(zhǎng)，有利于瞬變電磁法收、發(fā)線框的進(jìn)行。不利因素是測(cè)區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，部分地段為廠房等建筑物，唐津高速和開鳳路橫穿隧道，為外業(yè)工作的開展帶來(lái)不便;測(cè)區(qū)內(nèi)有高壓電線及信號(hào)發(fā)射塔存在，對(duì)瞬變電磁法工作信號(hào)帶來(lái)不利影響。針對(duì)上述不利因素采取了多次疊加增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度等措施確保野外工作的順利完成，并獲取高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。

2 野外工作方法與技術(shù)

2.1 方法原理

瞬變電磁法是基于地下探測(cè)目標(biāo)體與圍巖間存在著明顯的導(dǎo)電性差異，利用不接地中心回線向地下發(fā)送一次磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，通過(guò)測(cè)量線圈觀測(cè)地下異常體所產(chǎn)生的二次渦流磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的物探方法。其物理基礎(chǔ)是基于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下引起二次渦流場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)和研究二次渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在接收線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，獲取探測(cè)地電分布的信息。其工作方式如圖1所示:

圖1 瞬變電磁法原理及野外工作布置示意圖Fig.1 The principle of the transient electromagnetic method and its arrangement in field work

由于感應(yīng)二次場(chǎng)的衰變規(guī)律與地下地質(zhì)體導(dǎo)電性有關(guān)，導(dǎo)電性越好，二次場(chǎng)衰減越慢;反之，二次場(chǎng)衰減越快。所以通過(guò)研究瞬變場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，便可實(shí)現(xiàn)探測(cè)地下地層、采空區(qū)及巖溶分布的目標(biāo)［2-3］。

2.2 儀器設(shè)備及工作參數(shù)

此次野外工作投入使用儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WTEM-2Q瞬變電磁儀。

本次勘探最大深度不超過(guò)60 m。野外正式觀測(cè)前，進(jìn)行了多匝小線圈的中心回線裝置和重疊回線裝置的對(duì)比試驗(yàn)，重疊回線裝置的電壓曲線在首支出現(xiàn)了“飽和”現(xiàn)象，其在尾支處亦沒(méi)有表現(xiàn)出完整的衰減形態(tài)，因此，中心回線裝置更有利于該區(qū)工作，因此最終采用了中心回線裝置，多匝小線圈觀測(cè)方式，即:發(fā)射線圈尺度為2 m×2 m，20匝;接收線圈尺度為1 m× 1 m，20匝，如圖2所示。

圖2 中心回線裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of central loop unit

工作參數(shù)主要包括發(fā)射頻率、采集時(shí)窗和疊加次數(shù)、增益、供電電流等。

(1)發(fā)射頻率:供電頻率的選擇一般和勘探深度及抑制50 Hz工頻干擾有關(guān)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)4 Hz，8 Hz，16 Hz和32 Hz等四種工作頻率的對(duì)比試驗(yàn)后，確認(rèn)32 Hz觀測(cè)曲線既對(duì)目標(biāo)體的細(xì)節(jié)反映更靈敏，又能滿足本次探測(cè)深度的要求，最終確定工作頻率為32 Hz，控制延時(shí)0.2 μs，接收機(jī)天線延時(shí)0.0 μs。

(2)疊加次數(shù):疊加次數(shù)分別選用10、20、30、40、 60、80次進(jìn)行試驗(yàn)，疊加次數(shù)越多，采集一個(gè)測(cè)點(diǎn)所需時(shí)間越長(zhǎng)，但是合適的疊加次數(shù)能壓制和整合由天電及其他脈沖干擾源引起的異常，能夠提高數(shù)據(jù)的信噪比，本次疊加次數(shù)≥60次均可獲得較好接收信號(hào)。

(3)供電電流:本次為避免瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)早期自感盲區(qū)的擴(kuò)展，經(jīng)試驗(yàn)將發(fā)射線圈的電流選定在6～9 A，在工作過(guò)程當(dāng)中采用了直徑4 mm2優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線作為發(fā)射線圈材料，從而保證了接收信號(hào)質(zhì)量。

2.3 技術(shù)措施

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)做到供電線圈鋪放水平、面積準(zhǔn)確，接收線圈擺放在線圈中央并保持水平，正確選擇供電電流、接收頻率;方向誤差＜1°，極距誤差不超過(guò)1%，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定。

疊加次數(shù)與觀測(cè)時(shí)間范圍的選擇:為了提高觀測(cè)資料的信噪比，采用了“累加平均”取數(shù)的技術(shù)。在干擾嚴(yán)重時(shí)，增加疊加次數(shù)。

供電回線采用電阻率小、絕緣性能好的導(dǎo)線。本次工作采用的導(dǎo)線每千米的視電阻率＜5 Ω·m，以便在有限的供壓下輸出足夠大的電流。

勘測(cè)時(shí)，沿南、北兩側(cè)隧道軸線布置了2條測(cè)線，點(diǎn)距為2 m?？碧竭^(guò)程中部分測(cè)點(diǎn)受廠房等建筑物影響，探測(cè)位置進(jìn)行了微調(diào)或舍棄。

3 瞬變電磁法資料的處理與解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

過(guò)程為:數(shù)據(jù)導(dǎo)入與格式轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)截?cái)嗯c光滑→地形數(shù)據(jù)編輯→視電阻率的計(jì)算。

3.2 反演方法

對(duì)瞬變電磁資料處理后的多測(cè)道電壓剖面數(shù)據(jù)，利用GeoElectro處理系統(tǒng)的瞬變電磁模塊將其換算成視電阻率數(shù)據(jù)，而后加入地形參數(shù)進(jìn)行了沿剖面的二維反演計(jì)算，選擇了具有平滑功能的最小二乘法反演技術(shù)，利用視電阻率數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，采取三角網(wǎng)格剖分方式，生成地下二維地電模型，實(shí)現(xiàn)迭代循環(huán)式反演。各剖面反演電阻率斷面圖見圖3、圖4。縱觀這兩個(gè)瞬變電磁反演結(jié)果可以看到，在其探測(cè)深度范圍內(nèi)自上而下可劃分高、低、高三個(gè)電性層，分別為不同電性的巖層反映特征，將作為地質(zhì)推斷解釋的主要基礎(chǔ)。

3.3 成果分析

對(duì)溶洞、采空區(qū)的解釋推斷主要以瞬變電磁法測(cè)得的不同地層電阻率分布特征為依據(jù)。第四系覆蓋層電阻率不超過(guò)70 Ω·m;煤系地層電阻率為25～50 Ω·m，泥巖、泥灰?guī)r電阻率不超過(guò)100 Ω·m，采空區(qū)、溶洞因充填物等與泥巖、灰?guī)r地層有明顯的電性差異，推測(cè)采空區(qū)為高阻反映，巖溶為低阻反映。

以剖面解釋為依據(jù)，將地質(zhì)解釋結(jié)果分別展布在相應(yīng)的平面位置圖上，結(jié)合本區(qū)已知的地質(zhì)和鉆孔資料，按相鄰剖面地質(zhì)、構(gòu)造具有連續(xù)和延展性的原則，進(jìn)行了測(cè)區(qū)平面內(nèi)巖溶、采空區(qū)展布的空間推斷解釋。

根據(jù)同一巖溶、采空區(qū)在相鄰剖面上分布的可比性，本著相鄰形態(tài)相似的原則，由線到面確定地下巖溶、采空區(qū)的展布形態(tài)。圖3、圖4分別為隧道南、北側(cè)測(cè)線的瞬變電磁視電阻率反演及地質(zhì)解釋斷面圖，隧道上部為厚度近5 m左右的地表雜填土、殘積土;其下部為強(qiáng)風(fēng)化的基巖，厚度5～20 m;進(jìn)口側(cè)基巖為石灰?guī)r，出口側(cè)基巖為泥巖和砂巖，測(cè)區(qū)共發(fā)現(xiàn)2處巖溶區(qū)，3處采空區(qū)。

圖3 北側(cè)隧道剖面(1-1'剖面)瞬變電磁視電阻率反演及地質(zhì)解釋斷面圖Fig.3 The sectional view for TEM apparent resistivity inversion of the north tunnel profile(1-1'profile)and its geological interpretation

巖溶區(qū)主要分布在隧道進(jìn)口剖面及北側(cè)隧道剖面上。分別為:北側(cè)隧道剖面(1-1'剖面)368 m左右位置，埋深為6～8 m，30～32 m;南側(cè)隧道剖面(2-2'剖面)360 m左右位置，埋深為7～9 m左右。

采空區(qū)主要分布于兩條隧洞測(cè)線的東部。分別為:北側(cè)剖面(1-1'剖面)70 m左右位置，埋深31～33 m;南側(cè)隧道(1-1'剖面)20 m左右位置，埋深為30～32 m左右;南側(cè)隧道(1-1'剖面)105 m左右位置，埋深為19～21 m。

圖4 南側(cè)隧道剖面(2-2'剖面)瞬變電磁視電阻率反演及地質(zhì)解釋斷面圖ig.4 The sectional view for TEM apparent resistivity inversion of the south tunnel profile(2-2'profile)and its geological interpretation

所發(fā)現(xiàn)的的巖溶發(fā)育區(qū)為低阻異常，溶洞、溶隙中充填有粘土等物質(zhì)，可采取灌漿等加固處理措施;推測(cè)的采空區(qū)異常為高阻異常，據(jù)調(diào)查原高速公路建設(shè)時(shí)曾在附近進(jìn)行過(guò)注漿處理，處理范圍不詳。本次物探對(duì)該高阻異常推測(cè)范圍，可結(jié)合原高速公路灌漿治理情況，采用“探治結(jié)合”方式進(jìn)行灌漿處理。

4 結(jié)論

(1)本次勘察共發(fā)現(xiàn)2處巖溶，3處采空區(qū)，后經(jīng)打鉆證實(shí)，其成果可為巖溶、采空區(qū)的治理提供依據(jù)。

(2)利用多匝小線圈瞬變電磁法進(jìn)行淺層工程勘察是可靠有效的，可為以后同類工程勘察提供借鑒。

［1］ 李志剛，劉國(guó)華，邱方勝，等.二環(huán)路下穿唐津高速隧道工程地球物理勘探報(bào)告［R］.天津:河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2014.

［2］ 蔣邦遠(yuǎn).瞬變電磁法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，1998.

［3］ 王興泰.工程與環(huán)境物探新方法新技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1996.

(責(zé)任編輯:陳姣霞)

Application of Transient Electromagnetic Method in Highway Tunnel Engineering Surveying

HE Guoquan
(Hebei Research Institute of Investigation＆Design of Water Conservancy＆Hydropower，Tianjin 300250)

Taking tunnel engineering investigation of Second Ring Road of Tangshan for example，this paper utilizes the transient electromagnetic method to do an effective experiment of detecting shallow goaf and karst.It makes full use of the transient electromagnetic method with a strong anti-interference ability，the high transverse resolution，little impacted by terrain，not restriction by grounding conditions and other characteristics.It detects the position and distribution of the goaf and karst.Finally，through drilling which has tested effectively that the comprehensive integrated geophysical exploration is useful.

transient electromagnetic method;goaf;karst

P631.3+25;U459.2

:A

:1671-1211(2015)05-0640-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505027

2015-06-05;改回日期:2015-07-28

何國(guó)全 (1971-)，男，高級(jí)工程師，應(yīng)用地球物理專業(yè)，從事水利水電工程物探應(yīng)用及工程檢測(cè)工作。E-mail:13502125518@163.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150821.1530.026.html數(shù)字出版日期:2015-08-21 15:30