瞬變電磁法探測花崗巖蝕變囊狀水體應(yīng)用研究

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。