瞬變電磁法在隧道工程地質(zhì)風(fēng)險預(yù)測與評估中的應(yīng)用

張子強

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)

1 引 言

我國作為世界上地質(zhì)條件最為復(fù)雜的國家之一，巖溶、地下水是國內(nèi)隧道工程中不可避免的問題[1-3]。它們會造成隧道中涌水、突泥等嚴(yán)重事故，延緩施工進度，進而造成巨大的施工安全隱患以及無法估量的經(jīng)濟損失[4-7]。目前，隧道施工過程中的超前探測主要依靠地震波反射法、地質(zhì)雷達、超前鉆探等方法，無法針對地下水、巖溶等低阻異常體的特征進行精確預(yù)報[8-11]。

瞬變電磁法以巖石與低阻異常體之間的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，利用低頻電磁信號穿透能力強、對低阻體反映靈敏、不受高阻體屏蔽及探測深度大等特點，通過視電阻率(反映巖石和礦石導(dǎo)電性變化的參數(shù)，定義為按測定均勻水平大地電阻率的方法和計算公式求得的電阻率，單位:Ω·m)值的差異及視電阻率等值線圖變化趨勢進行低阻異常體的精確探測[12-15]。

本文通過瞬變電磁法在地下水超前探測、地下水通道注漿封堵效果驗證和巖溶探測中的工程實例，證明了瞬變電磁法對隧道工程地質(zhì)風(fēng)險的預(yù)測和評估具有良好的效果。

2 方法原理

瞬變電磁法通過不接地回線(磁源)或者接地線源(電偶源)向前方發(fā)送一次脈沖電磁場，在該一次場的激發(fā)下，探測面前方各個地質(zhì)體激勵出感應(yīng)渦流，進而產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電磁場，即二次場。

在一次脈沖磁場的斷電期間，利用二次場包含的豐富地質(zhì)體地電信息，采用接地電極觀測二次渦流場，并通過提取、分析二次場隨時間的衰減特征等響應(yīng)信息，達到探測、區(qū)分目標(biāo)地質(zhì)體的目的[16-19]。方法原理示意如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖Fig.1 Working principle of the transient electromagnetic method

3 工程實例

3.1 富水段落預(yù)報

3.1.1 工程概況

某新建高速鐵路隧道一號斜井，里程XDK0+300～XDK0+150，依據(jù)設(shè)計，如圖2所示。該段洞身為厚層砂巖，上覆地層中存在一礫巖夾層，厚約5 m，上覆灰?guī)r，為典型儲水層，如砂巖存在較大節(jié)理裂隙進而形成導(dǎo)水通道，則易發(fā)生隧道突涌水事故。

圖2 地質(zhì)概況Fig.2 Geological situation

前期施工做業(yè)TSP的結(jié)果如圖3所示。由圖3可知XDK0+220附近橫波波速明顯下降，縱橫波速比降低，推測為地下水發(fā)育段落[20,21]，因此，決定采用瞬變電磁法對比驗證其地下水探測效果。

圖3 TSP預(yù)報成果Fig.3 TSP prediction results

3.1.2 現(xiàn)場布置參數(shù)

在里程XDK0+300施做瞬變電磁，掌子面從左向右共布置測點8個。每個測點朝向頂板45°、正前方、底板45°三個方向，保證對掌子面前方拱頂、正前方、隧底巖層電性變化情況的全方位探測，測點布置如圖4所示。

如圖3為室溫下(20 ℃),TLS輸出的SP光波長為1 550 nm,SP光功率為0.5 mW當(dāng)980泵浦功率達到33 WM時,圖3所示測試系統(tǒng)的多波長光纖激光器產(chǎn)生第1階stokes光,stokes光頻移vB為0.084 nm。

圖4 瞬變電磁法測點布置示意圖Fig.4 Arrangement of measuring points in transient electromagnetic method

3.1.3 成果分析及開挖驗證

對原始數(shù)據(jù)加以處理，結(jié)果顯示：掌子面前方60～80 m(XDK0+240～XDK0+220)，電阻率等值線密集，推測該段節(jié)理裂隙密集發(fā)育，掌子面前方80～100 m(XDK0+220～XDK0+200)，掌子面由左向右等值線圖逐漸變?yōu)槊黠@的藍色系，推測該段落地下水較發(fā)育，具體富水區(qū)域從掌子面左側(cè)向右側(cè)延伸，如圖5所示。

圖5 瞬變電磁法預(yù)報成果Fig.5 Prediction results of transient electromagnetic method

在此基礎(chǔ)上，通過三維成圖做全空間分析，如圖6所示，該儲水層體積約為200 000 m3。因此，綜合分析瞬變電磁法和TSP預(yù)報結(jié)果，建議現(xiàn)場實際開挖過程中密切關(guān)注掌子面富水情況及位置變化，提前制定防排水措施。

圖6 瞬變電磁法三維全空間顯示Fig.6 3D full space display of transient electromagnetic method

現(xiàn)場開挖到里程XDK0+220(圖4中探測距離80 m處)時，掌子面現(xiàn)一出水點，位于左側(cè)拱頂，呈股狀噴出，出水量約150 000 m3，里程XDK0+217處出水點向右側(cè)移動，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場開挖驗證Fig.7 Verified by excavation

3.2 地下水注漿封堵效果檢測

3.2.1 檢測結(jié)果及分析

在上一節(jié)XDK0+217掌子面持續(xù)出水15天后，現(xiàn)場在該里程處進行帷幕注漿，注漿后在掌子面再次施做瞬變電磁，結(jié)果如圖8所示。

圖8 瞬變電磁法注漿封堵效果檢測成果Fig.8 Results of grouting plugging effect detection by transient electromagnetic method

結(jié)果顯示：掌子面前方40 m范圍內(nèi)(XDK0+217～XDK0+177)，電阻率升高，等值線相對均勻，且變化趨勢緩慢，推測該段落地下水輕微發(fā)育，注漿效果良好。

3.2.2 開挖跟蹤驗證

在里程XDK0+217的后續(xù)開挖過程中，無明顯的突涌水現(xiàn)象發(fā)生，如圖9所示，推測地下水通過砂巖地層的節(jié)理裂隙經(jīng)由其他方向?qū)ё摺?/p>

圖9 現(xiàn)場開挖驗證Fig.9 Verified by excavation

3.3 拱頂巖溶探測

3.3.1 工程概況

某新建高速鐵路隧道，里程DK28+500～DK28+640，依據(jù)設(shè)計，該段洞身及其上方圍巖為炭質(zhì)灰?guī)r，局部夾硅質(zhì)炭質(zhì)泥巖，洞身上方疑似存在巖溶發(fā)育及溶蝕破碎帶，如圖10所示。

圖10 地質(zhì)概況Fig.10 Geological situation

3.3.2 現(xiàn)場布置參數(shù)

瞬變電磁法施做工作面里程DK28+560，探測拱頂上方巖溶發(fā)育情況，分別在洞身左右兩側(cè)布置一條測線，由掌子面后方拱頂至掌子面正前方，保證對里程DK28+500～DK28+640范圍內(nèi)拱頂上方巖層電性變化情況的全方位探測。測點布置如圖11所示。

3.3.3 成果分析及鉆探驗證

對原始數(shù)據(jù)加以處理，結(jié)果顯示：掌子面后方40 m到掌子面前方拱頂存在明顯的低電阻率區(qū)域，位于頂板上方30～70 m范圍內(nèi)，推測該區(qū)域存在明顯的軟弱巖層或巖溶發(fā)育，但不影響正常施工，如圖12所示。

圖12 瞬變電磁法拱頂巖溶探測成果Fig.12 Results of karst detection in vault by transient electromagnetic method

為驗證瞬變電磁法探測成果，在掌子面左右兩側(cè)分別做30 m超前鉆探一孔，方向斜向上30°，鉆探結(jié)果顯示，掌子面前方25 m洞身上方15 m范圍內(nèi)圍巖強度及完整性較好，地下水不發(fā)育，可正常施工。

4 結(jié) 語

本次研究通過大量的現(xiàn)場實驗及幾個工程實例，證明了瞬變電磁法可應(yīng)用于地下水超前探測、地下水通道注漿封堵效果驗證、巖溶探測等隧道工程地質(zhì)風(fēng)險的預(yù)測和評估中，并得出以下結(jié)論:

1)瞬變電磁法在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中具備探測方向多變、測點布置受場地限制較小等特點，尤其適用于鐵路等工程隧道中各類地質(zhì)風(fēng)險的預(yù)測和評估。

2)瞬變電磁法在隧道圍巖強度、完整性以及節(jié)理裂隙發(fā)育情況的探測過程中具有良好的效果，除此之外，瞬變電磁法對隧道開挖過程中遇到的含充填物巖溶發(fā)育、地下水富集等具有低電阻率特征的異常、風(fēng)險點敏感程度較高，由此可以進一步確定異常體的規(guī)模、延伸方向。準(zhǔn)確圈定其發(fā)育范圍，極大地提高了解決現(xiàn)場復(fù)雜地質(zhì)問題的能力，為隧道施工提前做好預(yù)防措施，將施工風(fēng)險降到最低。

3)通過對瞬變電磁法與TSP預(yù)報成果的綜合分析，瞬變電磁法對三維空間中地下水的位置、分布范圍及水量的預(yù)測都更為準(zhǔn)確，進一步說明了瞬變電磁法在地下水異常的探測方面相較TSP存在明顯的優(yōu)勢。

4)隧道中的電磁環(huán)境、存在的金屬體會對瞬變電磁法的探測結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此，在布置觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集之前需盡可能地排除干擾物。若無法排除，則需要保證測點避開干擾區(qū)域。