AMT與TSP相結(jié)合在隧道勘察中的綜合應(yīng)用

劉 戰(zhàn)

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

1 引 言

我國的鐵路事業(yè)處于快速發(fā)展階段，而隧道建設(shè)的安全問題成為了重中之重，在地形條件差和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，斷層帶、褶皺、節(jié)理裂隙等構(gòu)造比較發(fā)育，地下水豐富，隧道圍巖所處的工程地質(zhì)條件較差，增加了隧道施工的難度和危險[1]。為保證隧道工程施工質(zhì)量、工期、投資和人員設(shè)備安全，隧道超前地質(zhì)預(yù)報已被列為保障施工的重要環(huán)節(jié)[2-5]，并在巖溶探測、裂隙水、小規(guī)模斷層破碎帶及其邊界圈定等方面取得了良好的應(yīng)用效果，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋長大隧道，隧道地質(zhì)超前預(yù)報工作更是顯得必不可少[6-10]。

不同的地質(zhì)構(gòu)造其物性差異不同，而隧道地質(zhì)超前預(yù)報包含地質(zhì)構(gòu)造、圍巖完整性、富水程度等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的多方面內(nèi)容。巖體的構(gòu)造發(fā)育程度、完整性、破碎程度和穩(wěn)定性等主要表現(xiàn)在力學(xué)性質(zhì)的差異上，而電阻率的差異則對圍巖的富水程度反映敏感。任何單一的物探方法都不可能同時反映力學(xué)和電磁學(xué)兩種物性參數(shù)的變化[1]。地震方法可以探測到圍巖力學(xué)性質(zhì)的變化，通過探測結(jié)果預(yù)報開挖面前方圍巖的巖性變化、構(gòu)造發(fā)育、結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)強度等力學(xué)要素，但是對圍巖的飽水性不敏感，不能預(yù)報飽水體和富水地段，容易漏報而導(dǎo)致發(fā)生突泥、涌水等病害事故，因此，采用大地電磁法等電法勘探的手段來探測圍巖電性變化情況，預(yù)防地下水誘發(fā)的工程地質(zhì)病害發(fā)生。

本文以新建中蘭鐵路香山隧道為研究對象，通過對比勘察階段音頻大地電磁方法勘察成果和施工階段地質(zhì)超前預(yù)報提供的彈性參數(shù)，結(jié)合音頻大地電磁和地震地質(zhì)超前預(yù)報的資料，分析掌子面前方含水性、破碎帶等地質(zhì)情況，從而對地質(zhì)情況做出評價劃分，為科學(xué)施工提供重要的一手資料，也為如何利用地球物理勘察資料提供參考。

2 方法技術(shù)

2.1 AMT方法原理

大地電磁測深法[11]是以天然交變電磁場為場源，當(dāng)交變電磁場以波的形式在地下介質(zhì)中傳播時，由于電磁感應(yīng)作用，地面電磁場的觀測值將包含有地下介質(zhì)電阻率分布的信息。音頻大地電磁法AMT(Audio Magnetotelluric Method)同大地電磁MT(Magnetotellurics)的原理是一樣的，只是接收的天然磁場信號的頻率范圍不一樣，MT接收的頻率范圍相對較低，為0.0 001～10 000 Hz，AMT接收頻段為0.1～10 000 Hz，相應(yīng)的MT探測的深度更深，而AMT在采集地下1 km以內(nèi)的信號時，抗干擾能力更強，數(shù)據(jù)更可靠，足以滿足隧道勘察的需要。

本次野外采集數(shù)據(jù)所用的儀器是由加拿大鳳凰公司的V8多功能電磁采集系統(tǒng)的MT/AMT測量單元，該套音頻大地電磁系統(tǒng)便于攜帶，適合山地作業(yè)，且探測深度大，采集速度快，在工程勘察、地下水勘察及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中都取得了良好的應(yīng)用效果[10]。在電磁場理論中，把電磁場(E、H)在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度定義為穿透深度或趨膚深度(δ),式計算公式為

(1)

式中，ρ為電阻率(Ω·m)；f為頻率(Hz)。由式(1)可知，趨膚深度(δ)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)變化，測量是在和地下研究深度相對應(yīng)的頻帶上進行的。根據(jù)公式(1)，地下埋深較淺的電性信息由高頻段的數(shù)據(jù)反映出來，地下深部的電性信息由低頻段的數(shù)據(jù)反映出來。由此得到電場和磁場的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算出相應(yīng)的視電阻率和相位，得出地下電性特征確定地質(zhì)構(gòu)造，以上是對V8觀測系統(tǒng)方法原理做出簡單扼要的說明。

2.2 TSP方法原理

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計的震源點(通常布置在地層或構(gòu)造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻，大約24個炮點)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性分界面等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)[12-14]。反射的地震信號將被高靈敏度的加速度地震傳感器接收，并以數(shù)字形式記錄下來。采集數(shù)據(jù)通過TSPwin[15-16]專用軟件處理，可獲得隧道掌子面前方P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學(xué)參數(shù)等中間成果資料，同時還可得到反射層的二維和三維空間分布，根據(jù)上述資料便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱巖層、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規(guī)模[12-14]。

本次探測采用TSP203plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)采用TSPwin plus 2.1專用軟件進行處理。處理時，首先正確輸入隧道及炮點和接收點的幾何參數(shù)?；咎幚砹鞒贪?1個主要步驟：數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。

在波形處理后，從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據(jù)爆炸點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度VP和橫波速度VS，VP和VS值的大小綜合反映了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)VP和VS值可直接計算動力學(xué)參數(shù)，即計算動彈性模量Ed、動剪切模量Gd和泊松比μd。

2.3 兩種方法的局限性

AMT法隨著勘探深度的提高，大地電磁的體積效應(yīng)也越來越明顯，所謂的體積效應(yīng)就是測得的卡尼亞電阻率反映的是地下一個體積的平均電阻率，這個電阻率在評價深度和準確里程上存在誤差，也就是說不能非常準確地判斷地質(zhì)邊界，但可以控制地質(zhì)邊界，因此在施工階段有必要完善，利用其他方法取長補短來完成整個地質(zhì)邊界的準確判斷[17-19]。

地震波方法對界面的反射位置的確定有較高的準確度，這在判斷斷層破碎帶邊界方面有較強的優(yōu)勢，但對與掌子面夾角較小的結(jié)構(gòu)面較敏感，而對于與掌子面夾角較大甚至垂直的結(jié)構(gòu)面不敏感，對于水和溶洞不敏感，工作耗時較長。

所有的地球物理方法都有多解性，圍巖含水性增加、破碎都可以導(dǎo)致電阻率變低，同種巖性的圍巖波速降低或者彈性參數(shù)的變差都會導(dǎo)致圍巖變差，究竟是什么原因引起的異常，還需要采取多種方法相結(jié)合來解譯判斷。

3 工程實例分析

3.1 音頻大地電磁成果分析

本文以新建鐵路中蘭線香山隧道DK41+600～DK43+500里程段為例，勘察階段采用音頻大地電磁法(V8)，點距25 m。該里程段隧道基巖主要為砂巖、板巖，地表為第四系砂質(zhì)黃土。根據(jù)過往物探資料顯示，砂巖電阻率在100～800 Ω·m 之間，板巖電阻率在100～1 000 Ω·m之間，黃土覆蓋層電阻率低于100 Ω·m，含水黃土電阻率通常在10 Ω·m左右，物探成果圖詳見圖1。

圖1 香山隧道(DK41+600～DK43+475段)音頻大地電磁物探成果Fig.1 Audio magnetotelluric result of Xiangshan tunnel (DK41+600～DK43+475)

結(jié)果表明,基巖電阻率在300～1 500 Ω·m之間，覆蓋層及風(fēng)化地層電阻率在50～300 Ω·m之間；推斷斷層破碎帶、巖體破碎帶電阻率在100～500 Ω·m之間。推測洞身里程DK41+990～DK42+090段、DK42+350～DK42+420段、DK43+130～DK43+240段、DK43+450～DK43+500段推斷巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，圍巖等級應(yīng)降低。推測洞身里程DK41+650～DK41+730段存在斷層破碎帶F1，傾向大里程方向；DK42+520～DK42+640段存在斷層破碎帶F2，傾向大里程方向；推測DK41+600～DK42+200段深部地層電阻率在50～500 Ω·m之間，推斷該范圍內(nèi)巖體富水。

地質(zhì)專業(yè)人員根據(jù)物探成果在DK41+662左8 m和DK41+690右110 m處布置兩個鉆孔，鉆孔資料詳細信息見表1。在斷層破碎帶F1即DK41+650～DK41+730里程段，地質(zhì)鉆探結(jié)果同音頻大地電磁法探測劃分的異常區(qū)相吻合，驗證了方法的有效性，對地質(zhì)異常區(qū)布孔有很好的指導(dǎo)性。

表1 鉆孔資料

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報的綜合分析

本文選取斷層破碎帶F1所在里程段DK41+650～DK41+730段及巖體節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)DK43+130～DK43+240段的超前地質(zhì)預(yù)報進行綜合分析。圖2、圖3是TSP采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過TSPwin[15,16]處理后提取物性參數(shù)的成果圖。在圖中速度欄繪制的是隧道軸向的縱波速度(上)和橫波速度(下)分段曲線，泊松比、密度和楊氏模量欄的曲線是通過縱橫波速度值根據(jù)公式和經(jīng)驗公式計算得到[15,16]。

圖2 DK41+592.9～DK41+732.9段反射面2D示意圖及巖石力學(xué)參數(shù)曲線Fig.2 2D diagram of reflection surface and rock mechanics parameter curve in DK41+592.9～DK41+732.9

圖3 DK43+252.6～DK43+122.6段反射面2D示意圖及巖石力學(xué)參數(shù)曲線Fig.3 2D diagram of reflection surface and rock mechanics parameter curve in DK43+252.6～DK43+122.6

在超前地質(zhì)預(yù)報中，對DK41+592.9～DK41+732.9段進行了詳細的分析(圖2)，將成果劃分以下幾段：

1)DK41+592.9～DK41+614段：本段縱波波速約4 520～4 570 m/s，橫波波速約2 560～2 600 m/s，泊松比約0.26～0.28，密度約2.52～2.54 g/cm3。與掌子面對比分析，圍巖各項巖性參數(shù)均微增，反射界面若干，以弱反射為主。

2)DK41+614～DK41+642：本段縱波波速約4 515～4 740 m/s，橫波波速約2 400～2 560 m/s，泊松比約0.29～0.32，密度約2.49～2.52 g/cm3。較之前段，圍巖縱波波速、泊松比增大，橫波波速、密度和楊氏模量減小，反射界面若干。

3)DK41+642～DK41+669：本段縱波波速約4 350～4 580 m/s，橫波波速約2 445～2 670 m/s，泊松比約0.25～0.28，密度約2.48～2.57 g/cm3。較之前段，圍巖各項巖性參數(shù)均減小，波動變化較少，反射界面若干。

4)DK41+669～DK41+694：本段縱波波速約4 430～4 950 m/s，橫波波速約2 410～2 700 m/s，泊松比約0.25～0.32，密度約2.49～2.60 g/cm3。較之前段，縱波波速增大，圍巖巖性參數(shù)波動變化頻繁，反射界面密集，強弱反射界面交替。

5)DK41+694～DK41+719：本段縱波波速約4 090～4 130 m/s，橫波波速約2 610～2 670 m/s， 泊松比約0.14～0.15，密度約2.50～2.52 g/cm3。較之前段，圍巖各項巖性參數(shù)整體偏弱，反射界面較少。

6)DK41+719～DK41+732.9：本段縱波波速約4 515～4 540 m/s，橫波波速約2 530～2 770 m/s，泊松比約0.20～0.27，密度約2.52～2.59 g/cm3。較之前段，圍巖各項巖性參數(shù)均增大，其中，縱波波速反射能量較強，反射界面若干。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料，推測本段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石強度增大，穩(wěn)定性較差，拱部圍巖易掉塊。局部裂隙可能含水。

綜上所述，對于里程DK41+592.9～DK41+732.9段，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石強度變化較頻繁，圍巖整體性、穩(wěn)定性較差，拱部圍巖易掉塊。裂隙含水或夾泥。

在超前地質(zhì)預(yù)報中，對DK43+252.6～DK43+122.6段進行了簡要的敘述(圖3)，將成果劃分以下幾段：

1)DK43+252.6～DK43+235段：本段縱波波速約3 260～3 300 m/s，橫波波速約1 810～1 950 m/s，泊松比約0.23～0.28，密度約2.16～2.21 g/cm3。與掌子面對比分析，圍巖各項巖性參數(shù)值呈鋸齒狀變化，反射界面若干，以弱反射界面為主。

2)DK43+235～DK43+216段：本段縱波波速約3 325 m/s，橫波波速約1 730～1 790 m/s，泊松比約0.30～0.32，密度約2.15～2.16 g/cm3。較上段，圍巖巖性參數(shù)值較穩(wěn)定，波動變化少?？v波波速、縱橫波速比和泊松比增大，橫波波速、密度和楊氏模量減小，反射界面較少。

3)DK43+216～DK43+194段：本段縱波波速約3 120～3 350 m/s，橫波波速約1 790～2 000 m/s，泊松比約0.16～0.30，密度約2.15～2.26 g/cm3。較上段，圍巖巖性參數(shù)值波動變化頻繁，其中，縱波波速、縱橫波速比和泊松比減小，橫波波速、密度和楊氏模量增大，反射界面密集，強弱反射界面交替。

4)DK43+194～DK43+169段：本段縱波波速約3 180～3 630 m/s，橫波波速約1 760～2 200 m/s，泊松比約0.20～0.33，密度約2.15～2.29 g/cm3。較上段，圍巖各項巖性參數(shù)值波動變化較頻繁，幅度較大，反射界面密集，局部較集中。

5)DK43+169～DK43+138段：本段縱波波速約3 315 m/s，橫波波速約1 955 m/s，泊松比約0.23，密度約2.21 g/cm3。較上段，圍巖各項巖性參數(shù)值均增大，波動變化少，趨勢較平穩(wěn)。反射界面少。

6)DK43+138～DK43+122.6段:本段縱波波速約3 270～3 435 m/s，橫波波速約1 890～2 030 m/s，泊松比約0.23～0.27，密度約2.19～2.25 g/cm3。較上段，縱橫波速比和泊松比為主，橫波波速、密度和楊氏模量略降，反射界面若干。

綜上所述，對于里程DK43+252.6～DK43+122.6段，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石強度變化較頻繁，圍巖整體性、穩(wěn)定性較差，拱部圍巖易掉塊。裂隙含水或夾泥。

3.3 音頻大地電磁法(AMT)成果和超前地質(zhì)預(yù)報(TSP)資料的綜合分析

在勘察階段對香山隧道采用AMT法進行探測，根據(jù)AMT資料中電阻率的變化特性劃出斷層F1(DK41+650～DK41+730)及巖體節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)(DK43+130～DK43+240)，兩段電阻率變低，圍巖變差。為保證隧道施工安全，在施工時進行了超前地質(zhì)預(yù)報。

在斷層F1所在里程段，相對應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報資料中DK41+669～DK41+694段圍巖巖性參數(shù)變化較頻繁，且反射界面密集，DK41+656～DK41+669、DK41+694～DK41+719段圍巖巖性參數(shù)整體偏弱，推測其圍巖裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖性變化較頻繁，巖石強度較低，可能發(fā)育有構(gòu)造破碎帶或含軟弱巖層，破碎帶含水或夾泥，圍巖均一性、穩(wěn)定性差，DK41+593、DK41+604、DK41+615、DK41+634、DK41+725處弱反射界面，可能發(fā)育有構(gòu)造破碎帶或含軟弱夾層，裂隙含水或夾泥，施工中易發(fā)生圍巖垮塌和掉塊。

在巖體節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)(DK43+130～DK43+240)中，相應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報資料中：DK43+216～DK43+194、DK43+185～DK43+169段圍巖巖性參數(shù)波動變化頻繁，且反射界面密集，推測其可能發(fā)育裂隙破碎帶或節(jié)理密集帶，局部可能含滑層，裂隙帶含水或夾泥，圍巖均一性及穩(wěn)定性差，應(yīng)注意DK43+251、DK43+246、DK43+235、DK43+191、DK43+186、DK43+138、DK43+133、DK43+128處的弱反射界面，推測發(fā)育有裂隙破碎帶或節(jié)理密集帶，裂隙含水或夾泥。施工中易發(fā)生圍巖垮落或掉塊，應(yīng)提前做好預(yù)防措施。

AMT從宏觀上預(yù)報出地質(zhì)不良體，查明各種構(gòu)造的形狀、規(guī)模和埋深, 對地質(zhì)情況有一個半定量認識，然后在開挖的掌子面附近進行TSP工作, 精確預(yù)報掌子面前方的不良地質(zhì)體，指導(dǎo)施工保證施工安全。

4 結(jié) 論

本文通過AMT和TSP兩種物探方法在工程實例中的綜合應(yīng)用，對比和分析兩種方法的有效性和局限性，得出以下結(jié)論：

1)音頻大地電磁(AMT)對于鐵路長大深埋隧道工程勘察，是一種有效宏觀的物探方法，可以指導(dǎo)鉆孔布置及隧道施工設(shè)計。超前地質(zhì)預(yù)報(TSP)作為一種精確的預(yù)報手段，可以準確地預(yù)報出隧道施工作業(yè)前方圍巖的性質(zhì)、規(guī)模和位置，保證施工作業(yè)的順利進行。

2)隧道的內(nèi)部構(gòu)造和隧道的區(qū)域構(gòu)造有很大的相關(guān)性，本文將洞外觀測和洞內(nèi)探測相結(jié)合。地表宏觀探測(AMT)的探測成果對隧道內(nèi)探測(TSP)有重要指導(dǎo)意義，而隧道內(nèi)的TSP的探測成果結(jié)合AMT的探測成果則可以更好地進行地質(zhì)預(yù)報，提高精確度。

3)本文將電磁法和地震法相結(jié)合，進行綜合探測和解釋，能更好地解決復(fù)雜的地質(zhì)問題，保證隧道施工安全提供有效的探測手段。