基于CSAMT和RT法的不良地質(zhì)條件隧洞勘探技術

劉芃呈，曲興輝

（遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧沈陽100166）

0 引 言

遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程輸水隧洞段全長29.1 km，為有壓隧洞，圓形斷面，成洞洞徑6 m，水頭高約50 m。洞線穿越撫順市南郊，區(qū)內(nèi)地形復雜。受中等強度構造作用和長期剝蝕切割作用，基巖埋深較淺，風化嚴重。隧洞于此地貌單元的埋藏深度一般為30～50 m，出口段近2 km處于丘陵區(qū)與平原區(qū)的過渡部位，平均埋深僅25 m左右，部分地段洞室上部圍巖厚度小于2倍洞徑。洞室圍巖主要為第三系頁巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及第四系坡積碎石土，均為軟巖。其中巖石以全風化、弱風化為主：全風化巖多呈土狀或原巖碎粒與粘土相膠結，巖層產(chǎn)狀345°∠33～60°，其走向基本與軸線平行。弱風化巖體較破碎～破碎，局部完整性差，呈薄層～互層狀，局部碎裂結構，節(jié)理面閉和，平直光滑，洞室開挖過程中易發(fā)生涌突水、突泥、塌方等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，一旦事故發(fā)生，將造成巨大的工程損失甚至延誤工期。因此，采用先進的地球物理探測技術——可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）和電阻率層析成像（RT）開展地球物理探測工作，以探查隧洞段的斷層構造、地下水空間分布特征，同時探查各段的覆蓋層厚度、各類巖層分界以及風化程度等等，并結合地質(zhì)鉆孔勘探成果進行相互比對，綜合分析和判別，為不良地質(zhì)段施工方案的制定提供指導。

1 CSAMT和RT探測技術的基本原理

1.1 CSAMT法

CSAMT法是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法（AMT）的基礎上發(fā)展起來的一種人工源頻率域電磁測深方法，它克服了天然場源的隨機性和信號弱的缺陷。通過人工接地場源(電偶源)向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，在地面一定范圍內(nèi)測量正交的電磁場分量，計算卡尼亞電阻率及阻抗相位，達到探測不同埋深的地質(zhì)目標體的一種頻率域電磁測深方法。CSAMT原理是將大地看作水平介質(zhì)，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面可觀測到相互正交的電磁場分量為Ex，Ey，Ez，Hx，Hy，Hz。通過測量相互正交的電場和磁場分量，可以確定介質(zhì)的卡尼亞電阻率值?；诶硐胱杂煽臻g麥克斯韋方程組，考慮電磁波傳播法、切向分量和電位的邊界條件，可得地下視電阻率公式：

式中：ρ——電阻率；f——頻率；Ex——沿x方向的電場強度；Hy——沿y方向的磁場強度。

根據(jù)電磁波的趨膚效應理論，導出了趨膚深度公式：

式中：H——探測深度,m；ρ——電阻率；f——頻率。

從公式（2）可見，當?shù)乇黼娮杪使潭〞r，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比。高頻時，探測深度淺；低頻時，探測深度深?？梢酝ㄟ^改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達到頻率測深目的。

1.2 RT法

電阻率層析成像（RT）是從20世紀80年代中期開始發(fā)展起來的一種電阻率陣列探測方法，與常規(guī)電阻率法相比，其特點是設置了較高的測點密度，儀器利用多路電極轉(zhuǎn)換裝置，自動實現(xiàn)多種電極排列和多參數(shù)測量，可快速準確地測量地下二維或三維地質(zhì)體在橫向和縱向的電阻率變化。其基本原理是利用地下物質(zhì)成分的電性差異，電阻率值與地層巖性、孔隙度及其所充填物的性質(zhì)有密切的關系，通過地表不同電極距的設置可采集到地下不同地點、不同深度的視電阻率，再對蘊含有各種地質(zhì)體信息的視電阻率值，采用計算機數(shù)據(jù)處理、解釋及成圖，從而推演出地質(zhì)體的大小、形狀、分布和構造特征。在非均勻介質(zhì)中，電位由Poisson積分給出：

式中：j——電流密度；ρ——介質(zhì)的真電阻率；R——距離電源的距離；V——P點與電源點之間的電位差；Up——P點的電位，右側(cè)［r1］［r2］的二項分別相應于一次場和二次場。問題歸結為如何反演公式（3），即由Up求得ρ。

測量系統(tǒng)裝置是一種組合式剖面裝置，支持14種測量裝置。其中α排列（溫納裝置AMNB），β排列（偶極裝置ABMN），γ排列（微分裝置）和聯(lián)合剖面裝置等適用于固定斷面掃描測量。像A—M二極法，NM—A單邊三極，A—MN—B（施貝1）等裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量。因而，此裝置測量與常規(guī)電法測量相比較，具有信息豐富、數(shù)據(jù)量大、野外施工簡捷快速等優(yōu)點，同時還具有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。

2 CSAMT和RT物探成果解釋

為提高物探工作精度，綜合CSAMT和RT法優(yōu)點，采用兩種方法同期進行。對新太河段、夜海溝段、朗士段、偏坎子段、英德堡段、英家至劉山段隧洞段6個輸水隧洞段進行探測，主要探查輸水隧洞主洞線位置地下巖體的工程地質(zhì)情況，確定其斷裂帶、富水帶的分布狀況，以及覆蓋層巖土體的風化情況等等。另外，采用CSAMT方法，在劉山水庫距離主洞線較近位置的3個剖面布設3條平行測線，目的是探查劉山水庫的地下水與隧洞主洞線位置地下水之間的互補連通關系。下文以朗士段為例。

2.1 CSAMT物探成果

綜合3條測線反映的電阻率信息，結合地質(zhì)資料綜合分析推斷，DK12＋720～DK13＋160段上部覆蓋層風化強烈且含水較多，但隧洞埋深較深，風化層破碎含水未影響到隧洞位置，局部地區(qū)有風化裂隙延伸穿越洞線，裂隙帶含水較少，雨季施工注意頂板滲水現(xiàn)象。DK13＋160～DK13＋290段隧洞位于強風化層中，局部含水較多，風化裂隙發(fā)育，注意風化裂隙處破碎巖土體滲水、局部塌方現(xiàn)象。DK13＋290～DK13＋430段隧洞埋深較淺，存在含水破碎帶，表層風化層含水豐富，注意大范圍塌方、涌突水事故。DK13＋430～DK13＋560段有小型風化裂隙帶延伸至洞線位置，風化層含水較多，開挖時注意隧洞頂板滲水現(xiàn)象，雨季施工尤其提請注意。DK13＋560～DK13＋780段隧洞埋深較深，風化層含水對隧洞開挖基本沒有影響。

2.2 RT物探成果

根據(jù)電阻率反演繪制的剖面圖可知，DK12＋900～DK13＋180段隧洞位置巖體較完整，地表覆蓋層巖土體風化強烈且含水豐富，但隧洞埋深較深，風化層含水對隧洞開挖影響不大。DK13＋180～DK13＋310段上部覆蓋層風化強烈且含水較多，其中DK13＋180～DK13＋270段地表處于低洼河谷區(qū)，隧洞位于全～強風化層中，含水較多，開挖時可能出現(xiàn)松散巖土體塌方失穩(wěn)、滲水等現(xiàn)象，雨季開挖尤其值得注意。DK13＋310～DK13＋400段存在延伸較深的含水斷裂破碎帶，開挖中極易造成涌突水、塌方事故，是該段異常最明顯的區(qū)域，建議采取必要的超前支護措施，保證隧洞順利開挖。DK13＋400～DK13＋850段隧洞位置工程地質(zhì)條件較好，未見明顯異常帶穿越洞線位置，其中DK13＋410～DK13＋500段隧洞位于強風化層中，巖體松散破碎，主要由于上部風化強烈產(chǎn)生的風化裂隙延伸至此，含水較少，不會發(fā)生大型涌突水事故，注意滲水、局部巖塊塌落現(xiàn)象，但范圍較小，對隧洞正常開挖施工影響不大。需特別注意的是，DK13＋310～DK13＋400區(qū)段，存在的深大含水斷裂破碎帶，會對隧洞開挖造成嚴重影響，可能出現(xiàn)巖體塌方失穩(wěn)、涌突水等現(xiàn)象，施工前需要制定合理的工程措施保證順利開挖，防止工程事故發(fā)生。其次是DK13＋180～DK13＋270段，風化層含水較多，注意滲水較多，雨季尤其值得重視。建議根據(jù)實際情況制定合理的措施，防止事故發(fā)生影響施工 進 程。DK13＋200～DK13＋250、DK13＋460～DK13＋500位于強風化層中，含水不多，防止松散巖土體局部塌方、滲水現(xiàn)象，雨季施工在低洼河谷地段尤其需要注意，防止沿風化裂隙帶出現(xiàn)隧洞頂板滲水現(xiàn)象。除以上區(qū)段外，其它地區(qū)巖體工程地質(zhì)條件對隧洞正常開挖施工影響不大。

2.3 CSAMT和RT物探成果

綜合分析CSAMT和RT 2種物探方法的反演成果，并結合地質(zhì)資料和鉆探資料推斷，DK13＋290～DK13＋400段的含水破碎帶，在開挖施工中可能出現(xiàn)范圍較大的涌突水、塌方事故。建議工前采取必要的支護措施并選擇合理的防排水措施，保證順利開挖。DK13＋180～DK13＋270段位于全風化層中，含水豐富，注意涌水量大、塌方、以及滲水現(xiàn)象，尤其雨季施工更應注意。DK13＋270～DK13＋310和DK13＋400～DK13＋500隧洞位于強～弱風化層中，上部覆蓋層含水豐富，防止沿風化裂隙帶滲水、局部巖塊塌落現(xiàn)象，雨季施工于低洼河谷地區(qū)尤其值得重視。該段其它地區(qū)隧洞位置巖體工程地質(zhì)條件較好，對開挖基本沒有影響。該段地質(zhì)條件較差地段主要位于河谷區(qū)，上部風化層較厚且含水豐富，開挖時需引起注意。

3 結 語

選擇可控源音頻大地電磁法（CSAMT）對大伙房水庫輸水（二期）工程隧洞段進行地球物理探測工作是可靠的。由于工區(qū)多位于低洼河谷地段，風化強烈且含水豐富，此方法對水十分敏感，可以反映出主要的破碎含水區(qū)段。CSAMT方法探測深度較深，對目標地質(zhì)體具有更好的分辨能力?？梢詮暮暧^上整體把握整個工區(qū)內(nèi)較大的地質(zhì)構造帶，推斷對工程所產(chǎn)生的影響。以上所做結果繪制的地表下150 m深度的電阻率反演剖面圖表明，當反演深度超過500 m時，斷裂構造不存在，說明該區(qū)不存在大斷裂構造，對工程影響較大的是由于強風化作用產(chǎn)生的風化裂隙以及局部巖脈侵入引起的破碎斷裂。選擇電阻率層析成像（RT）方法對隧洞段進行物探工作，此方法的橫向分辨率較高，將小的地質(zhì)結構、構造反映較細致，此方法數(shù)據(jù)反演可以進行地形校正，圖更直觀。通過CSAMT方法和RT方法結合應用，可以從宏觀和微觀2個角度把握工區(qū)的總體工程地質(zhì)情況。2種方法所得結論基本一致，分別從不同的角度反映出不利的地質(zhì)情況。2種方法的原理不同，相互之間有影響，野外工作時間不同，個別地區(qū)反映情況有所不同，可以獲知更多的地質(zhì)信息，并剔除假信息，最終獲取的物探信息更準確可靠。