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      瞬變電磁法探測花崗巖蝕變囊狀水體應(yīng)用研究

      2021-01-18 08:15:24汪文強(qiáng)
      高速鐵路技術(shù) 2020年6期
      關(guān)鍵詞:掌子面花崗巖電阻率

      汪文強(qiáng)

      (中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

      隨著我國鐵路建設(shè)在西南地區(qū)的快速推進(jìn),隧道開挖過程中遇到花崗巖蝕變造成的涌水突泥情況越來越普遍[1],不僅影響施工進(jìn)度,甚至還會造成重大的安全事故?;◢弾r蝕變[2-3]發(fā)育極其不規(guī)律,施工前的物探和工程地質(zhì)勘察很難將地下花崗巖蝕變體的分布勘察清楚。因此,為保障施工進(jìn)度和施工安全,需開展花崗巖蝕變段地下水超前預(yù)報研究。

      瞬變電磁法是一種時間域電磁法,近年來,作為一種有效的水體探測手段被廣泛應(yīng)用到隧道超前地質(zhì)預(yù)報中,取得了良好的應(yīng)用效果。本文結(jié)合西南山區(qū)鐵路隧道特點(diǎn)[4],用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)解決鐵路隧道花崗巖蝕變帶囊狀水體分布問題[5],在實(shí)踐中證明了瞬變電磁法在宏觀控制上的有效性,為隧道安全施工提供安全保障。

      1 瞬變電磁法原理

      瞬變電磁法(Time domain electromagnetic methods),簡稱TEM。其原理為:首先通過不接地回線或接地長導(dǎo)線供以雙極性脈沖電流,當(dāng)回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后,發(fā)射回線中電流突變在其周圍產(chǎn)生一次磁場。一次磁場在周圍傳播過程中,如遇地下導(dǎo)電良好的地質(zhì)體,將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流(又稱渦流或二次電流)。由于導(dǎo)電地質(zhì)體是非線性的,渦流并不立即消失,有一個瞬變過程,這個過程的快慢與導(dǎo)體的電性參數(shù)(體積規(guī)模和埋深以及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率)有關(guān),地質(zhì)體導(dǎo)電性愈好,渦流的熱耗損愈小,瞬變過程愈長。這種渦流瞬變過程,在空間形成相應(yīng)的瞬變磁場(二次磁場)。通過分析測量二次磁場空間分布形態(tài),即可發(fā)現(xiàn)地下異常地質(zhì)體的存在,并確定異常體的電性結(jié)構(gòu)和空間分布形態(tài)[6]。瞬變電磁法工作原理如圖1所示。

      圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

      瞬變電磁場高頻部分主要集中在掌子面和邊墻淺表附近,較低頻的部分則可傳播到隧道深處,且分布范圍會逐漸擴(kuò)大。根據(jù)目前采用的多匝小回線裝置視電阻率的計算方式,大多沿用通用的早、晚期視電阻率的換算公式,其中晚期視電阻率仍采用經(jīng)典的半空間均勻晚期計算公式:

      ρτ=

      10-12(SN)2/3(sn)2/3(V/I)-2/3t-5/3

      (1)

      式中:ρτ——視電阻率;

      μ0——真空中的磁導(dǎo)率;

      S——單匝發(fā)射回線面積(m2);

      S——單匝接收回線面積(m2);

      N——發(fā)射接收線圈匝數(shù);

      n——接收線圈匝數(shù);

      V——感應(yīng)電動勢;

      I——電流;

      V/I——接收的歸一化二次感應(yīng)電場值;

      T——二次場衰減觀測時間(s);

      C——近似系數(shù),為經(jīng)驗值[7]。

      測道計算深度hi為:

      (2)

      則可得出測道的深度Hi為:

      (3)

      式中:k——擴(kuò)散速度數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換系數(shù);

      ti-1——前一測道時間;

      hi-1——前一測道計算深度;

      ti——本測道時間;

      ρi——晚期視電阻率[7]。

      2 花崗巖蝕變囊狀水體形成機(jī)理

      花崗巖蝕變現(xiàn)象是指花崗巖在晚期地殼地質(zhì)構(gòu)造作用下,侵入既有巖層后再經(jīng)地下熱液蝕變作用形成新的巖體,該蝕變體具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化、遇水軟弱破碎的特點(diǎn)。在構(gòu)造地質(zhì)作用下,花崗巖將地下水或后期沿裂隙匯集的地下水包裹圈閉,形成囊狀水體。

      花崗巖蝕變地層若遇富水構(gòu)造時,隧道開挖過程中將面臨圍巖易軟化受損、受裂隙水沖刷等問題,原有圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,圍巖穩(wěn)定性顯著降低。若對蝕變巖體特性認(rèn)識不足,且未探明掌子面前方富水囊體分布的情況下,盲目開挖,易導(dǎo)致塌方、突泥涌水等安全事故。

      瞬變電磁法對于低阻體(水體)具有極高的敏感度,可有效探測花崗巖囊狀水體。因此,在花崗巖蝕變帶運(yùn)用瞬變電磁法探測囊狀水體具備可行性。

      3 工程實(shí)例

      3.1 工作區(qū)地質(zhì)概況

      西南某鐵路隧道在施工過程中局部揭示蝕變體、俘虜體及熔巖管道,隧道所處區(qū)域花崗巖蝕變嚴(yán)重,差異分化不均,地下水呈囊狀發(fā)育且無規(guī)律。該隧道在施工過程中發(fā)生涌水,涌水前掌子面巖性為灰色塊狀黑云母花崗巖,巖質(zhì)堅硬,右側(cè)及中下部巖體較完整,左上側(cè)巖體蝕變嚴(yán)重,巖體較破碎,蝕變巖體呈砂狀,遇水易軟化。

      某隧道縱斷面示意如圖2所示。從圖2可以看出,該隧道無法預(yù)見花崗蝕變段落,施工具有盲目性。超前鉆孔[8-9]無法在花崗巖蝕變復(fù)雜的隧道內(nèi)準(zhǔn)確探明前方富水巖體,造成實(shí)際開挖出水量和鉆孔揭示水量差異巨大。傳統(tǒng)的地震波反射法和地質(zhì)雷達(dá)對水體方位預(yù)報準(zhǔn)確性不足,因此,需尋求更有效的物探方法,提高花崗巖蝕變區(qū)無規(guī)律分布水體預(yù)報的準(zhǔn)確性。瞬變電磁法對低阻體(水體)具有極高的敏感性,可準(zhǔn)確探測囊狀水體的分布情況。

      圖2 某隧道縱斷面示意圖

      3.2 干擾識別及工作優(yōu)化

      3.2.1干擾識別

      瞬變電磁法是對二次場進(jìn)行連續(xù)取樣,受多種噪聲干擾,主要為瞬變電磁儀器自身的干擾和外部電磁噪聲的干擾。其中外部電磁噪聲干擾主要分為地磁場的微脈動、天然電磁場噪聲和人文噪聲[10-12]。本文將主要探討人文噪聲。

      在隧道開挖過程中,人文噪聲主要包括電力電網(wǎng)、邊墻鋼拱架、掌子面超前導(dǎo)管、錨桿、施工開挖臺架以及各類機(jī)械設(shè)備等的噪聲。在進(jìn)行瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集時,無法徹底消除以上干擾,所以需要對瞬變電磁法的測線布置、角度選取進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,從而降低人文噪聲對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響。

      3.2.2工作優(yōu)化

      在進(jìn)行瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集前,需采取以下措施降低人文噪聲對數(shù)據(jù)干擾:(1)施工臺架與掌子面的距離大于30 m;(2)保持瞬變電磁數(shù)據(jù)采集時地面無明顯積水;(3)斷開各類非必要設(shè)備電源;(4)數(shù)據(jù)采集過程中,關(guān)閉各類通訊設(shè)備電源(對講機(jī)、手機(jī)等);(5)減小瞬變電磁探測角度范圍,以降低兩側(cè)鋼拱架對數(shù)據(jù)的影響。

      為分析采取以上措施后瞬變電磁數(shù)據(jù)的采集效果,對同一掌子面在采取降噪措施和未采取降噪措施兩種情況下進(jìn)行兩次瞬變電磁法。兩次瞬變電磁視電阻率剖面如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出,未采取降噪措施(角度未優(yōu)化)的結(jié)果受兩側(cè)鋼拱架影響非常大,直接影響了電磁場的衰減路徑,形成典型的“雙側(cè)低阻”現(xiàn)象,掌子面前方低阻信息被掩蓋,無法提取識別;而采取了降噪措施(角度優(yōu)化)的結(jié)果受兩側(cè)鋼拱架影響較小,電磁波衰減路徑正常,前方低阻信息得以提取保留。因此,采取角度優(yōu)化及降噪措施能夠在一定程度上提高瞬變電磁法數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

      圖3 未采取降噪措施的瞬變電磁法電阻率剖面圖(角度未優(yōu)化)

      圖4 采取降噪措施的瞬變電磁法電阻率剖面圖(角度優(yōu)化)

      采取上述降噪措施,對隧道進(jìn)行瞬變電磁法水體探測,測線布置如下:在靠近掌子面處布置一個扇形剖面,扇形角度為120°(起始角度為30°,終止角度為150°),可有效減少兩側(cè)鋼拱架影響。由于蝕變囊體發(fā)育不規(guī)律,本次在掌子面多個角度進(jìn)行探測。布置參數(shù)及方式如表1、圖5和圖6所示。

      表1 測線布置參數(shù)表

      圖5 測線布置俯視圖(單剖面)

      圖6 測線剖面縱斷面圖(共5條剖面)

      3.3 成果分析

      該隧道突然發(fā)生涌水后,對前方90 m范圍的花崗巖蝕變帶內(nèi)水體分布進(jìn)行探測。瞬變電磁超前預(yù)報成果如圖7所示,對結(jié)果判釋如表2所示,掌子面前方存在明顯低阻異常,集中在掌子面前方30~75 m范圍,且存在多處圈閉低阻區(qū)域,分布無明顯規(guī)律,判釋前方存在多處花崗巖蝕變形成的囊狀富水體,各富水體之間通過熔巖裂隙管道相連,建議調(diào)整鉆孔參數(shù),驗證并排水。

      圖7 瞬變電磁超前預(yù)報成果圖

      表2 瞬變電磁各剖面結(jié)果判釋表

      3.4 鉆孔驗證

      根據(jù)瞬變電磁探測結(jié)果,在掌子面布置5個超前鉆孔,鉆孔孔位布置如圖8所示,鉆孔參數(shù)如表3所示。

      圖8 鉆孔孔位布置示意圖

      表3 鉆孔參數(shù)表

      1號孔鉆進(jìn)20 m時,水量突然變大,出現(xiàn)較大壓力涌水;2號孔鉆進(jìn)至45 m時,水量突然變大,出現(xiàn)較大壓力涌水;5號孔鉆進(jìn)至25 m時,水量突然變大,出現(xiàn)較大壓力涌水;3號和4號鉆孔鉆進(jìn)揭示水量較小。超前鉆孔鉆進(jìn)過程中揭示掌子面前方均含水,且1號、2號、5號鉆孔鉆進(jìn)時出現(xiàn)水量、水壓增大現(xiàn)象,推斷該位置存在囊狀水體,水壓較大。鉆孔探測結(jié)果與瞬變電磁測試結(jié)果一致,驗證了瞬變電磁對于水體探測具有一定的準(zhǔn)確性和適用性。

      4 結(jié)束語

      瞬變電磁法在該鐵路隧道花崗巖蝕變帶探水中起到了明顯的作用,得到了廣泛推廣應(yīng)用,逐步形成了“瞬變電磁法判斷水體分布,鉆孔驗證”的預(yù)報方式。在后續(xù)施工開挖過程中,準(zhǔn)確預(yù)報了花崗巖蝕變帶水體分布情況,降低了施工安全風(fēng)險。得出以下主要結(jié)論:

      (1)瞬變電磁法對水體探測比較敏感,能有效地預(yù)報水體分布情況,在隧道超前探水有廣闊的應(yīng)用前景。

      (2)隧道施工現(xiàn)場對瞬變電磁法的干擾較大,優(yōu)化測線布置可有效地降低兩側(cè)鋼拱架、格柵拱架等對數(shù)據(jù)采集的影響程度。

      (3)對鐵路隧道復(fù)雜的超前地質(zhì)預(yù)報難題,應(yīng)結(jié)合多種物探方法,綜合判釋,達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報的目的。

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