半航空瞬變電磁法在巖溶隧道勘察中的應(yīng)用研究

劉 東,張諾亞,姚宇洪,李彩曉,孫懷鳳

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西龍馬高速公路有限公司,廣西 南寧 530022;3.山東大學(xué),山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

近年來,我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向中西部推進(jìn),對公路等交通樞紐建設(shè)提出了新的更高要求。廣西是我國巖溶分布范圍最廣的省區(qū)之一[1],在此類地形條件下修建的公路鐵路,其橋隧比極高,地形條件惡劣,傳統(tǒng)的地面物探和鉆探手段難以實(shí)施,缺乏可用的地質(zhì)資料[2]。特別是當(dāng)隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)、斷層破碎帶以及地下暗河等地質(zhì)區(qū)域時,極有可能誘發(fā)隧道塌方、地面塌陷以及突水突泥等重大安全事故[3-4]。復(fù)雜地形區(qū)域隧道的工程勘察、地質(zhì)調(diào)查等是公認(rèn)的國際難題。

半航空瞬變電磁法(Semi-airborne Transient Electromagnetic,簡稱SATEM)采用地面發(fā)射、空中接收的非緊湊式觀測模式,具有對低阻體敏感、靈活高效、一次性覆蓋面極廣、成本低廉等優(yōu)勢[5-8]。近年來,隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷革新,半航空瞬變電磁法的技術(shù)潛力也逐漸凸顯,作為一種應(yīng)對復(fù)雜地形的有效勘探手段,已在水文地質(zhì)、礦產(chǎn)、隧道勘察等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[9-12]。

嵇艷鞠等[13]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電性源半航空瞬變電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻率反演成像研究。李貅等[14]研究了電性源半航空瞬變電磁逆合成孔徑成像方法。張瑩瑩等[15-16]定義了單輻射場源和多輻射場源電性源半航空瞬變電磁全域視電阻率,并根據(jù)等效導(dǎo)電平面原理,討論了多場源下半航空瞬變電磁法的快速成像方法。Feng等[17]提出了基于CFS-PML的CNCSU-FDTD三維半航空瞬變電磁正演方法。Qi等[18]提出了接地導(dǎo)線源半航空瞬變電磁y分量磁場的全域視電阻率定義。李雪峰等[19]研究了多接地源下半航空瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律研究。隨著SATEM理論和方法研究的不斷發(fā)展,地球物理學(xué)家運(yùn)用該方法開展了多項(xiàng)試驗(yàn)應(yīng)用,在2014年舉辦的EMIW會議上,Sun等[20]重點(diǎn)介紹了基于飛艇的半航空瞬變電磁試驗(yàn)。劉富波等[21]利用EEMD方法有效去除運(yùn)動噪聲,并且成功在蓮花山鐵礦區(qū)開展了探測試驗(yàn)。宿傳璽[22]以廣西巖溶地區(qū)為背景,利用三維時域有限差分法進(jìn)行了淺層巖溶半航空瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[2]研究了不同接收參數(shù)下半航空瞬變電磁的響應(yīng)規(guī)律,并將該方法成功應(yīng)用至廣西賀州至巴馬高速公路達(dá)墨隧道工程。文獻(xiàn)[8]分析定義了半航空瞬變電磁法中橫向分量和縱向分量的成像深度,并研究了成像深度受飛行高度、發(fā)射磁矩、偏移距、偏移角度的影響。田忠斌等[23]利用半航空瞬變電磁法,對山西省沁水煤田的未知采空區(qū)進(jìn)行快速?厲精確探測。文獻(xiàn)[7]將半航空瞬變電磁法成功應(yīng)用于廣西達(dá)墨隧道的勘察工作,探測結(jié)果與圍巖開挖情況高度吻合,并指導(dǎo)了該隧道的圍巖分級。

綜上所述,半航空瞬變電磁法作為一種新型的地球物理勘探方法在理論方法和試驗(yàn)應(yīng)用上都取得了顯著的應(yīng)用成果,克服了復(fù)雜地形條件無可用地球物理勘察技術(shù)的難題。天峨—巴馬高速公路(簡稱天巴路)沿線位于山區(qū)丘陵地帶、地形險峻、工程設(shè)計難度大、施工過程難點(diǎn)多,物探、鉆探數(shù)據(jù)匱乏。為填補(bǔ)設(shè)計及施工階段地球物理勘察資料空白,本文利用半航空瞬變電磁法應(yīng)用于天巴路全線的隧道勘察工作,旨在利用探測結(jié)果指導(dǎo)隧道安全施工、及時規(guī)避風(fēng)險段,并成功預(yù)測了多處巖溶高風(fēng)險區(qū)域,巖溶揭露與探測結(jié)果吻合度高達(dá)85%,極大地避免了人員傷亡和財產(chǎn)損失,為天巴路安全建設(shè)和順利貫通保駕護(hù)航。

1 研究區(qū)概況

擬建天峨至北海公路天峨經(jīng)鳳山至巴馬段路線起于河池市天峨縣北東側(cè),與平塘至天峨高速公路相接,總體走向南北向。天巴路橋隧占主線全長66.64%,隧道占主線全長的47.36%,短隧道6 657 m/19座,中隧道10 568.5 m/15座,長隧道21 248.5 m/13座,還有特長隧道11 105 m/3座。

天巴路沿線多位于山地丘陵地帶,其地勢復(fù)雜、工程設(shè)計難度大、施工過程難點(diǎn)多。工區(qū)內(nèi)屬巖溶峰叢洼地地貌。隧址區(qū)內(nèi)的山體多為侵蝕切割較強(qiáng)烈,地形連綿起伏,山腳處多發(fā)育充填型溶孔、溝槽、洼地等巖溶地貌。根據(jù)物探、鉆探及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,隧址區(qū)地層主要為第四系殘坡積層(Qel+dl)、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)及石炭系上統(tǒng)馬平組(C3m)地層。隧道所穿越山體巖性主要為灰?guī)r,區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育。區(qū)內(nèi)灰?guī)r地層易發(fā)育巖溶,當(dāng)溶洞中充填水或沉積物,則相對圍巖為低阻體,可至幾十歐姆米,甚至更低。半航空瞬變電磁法正是以低電阻率特征為勘探目標(biāo),富水巖溶與圍巖的電阻率差異特征為地球物理勘探提供了基礎(chǔ)和前提。

天巴路沿線高風(fēng)險隧道居多,據(jù)早期地質(zhì)資料顯示,在砦牙1號隧道、勤蘭隧道沿線的巖溶分布最為集中和復(fù)雜,且地形極其復(fù)雜,均未開展鉆探和物探工作,缺乏可用的勘察資料。其中,砦牙1號隧道位于鳳山縣砦牙鄉(xiāng)弄樓屯,設(shè)計長度為1 755.00 m,在線位ZK37+400左120 m及ZK38+300左50 m各存在一高位巖溶洼地,ZK37+670～ZK37+875段周邊溶蝕裂隙發(fā)育。勤蘭隧道位于巴馬縣勤蘭村,設(shè)計長度為5 322.00 m,隧道出口處發(fā)育有大型的巖溶洼地,低洼地段發(fā)育有泉眼、落水洞等。由于砦牙1號隧道和勤蘭隧道均穿越了大量山體,缺乏物探和鉆探資料,給隧道施工帶來了巨大的風(fēng)險和隱患,隧道周邊的多處巖溶發(fā)育區(qū)也暗示了隧道線位處存在隱伏溶洞的可能性極高,因此亟須對兩條隧道開展半航空瞬變電磁探測,在施工前期對潛在巖溶風(fēng)險進(jìn)行探測和評估。

2 半航空瞬變電磁探測

2.1 半航空瞬變電磁基本原理

半航空瞬變電磁的基本原理為將發(fā)射裝置和接地長導(dǎo)線源布設(shè)于較為平坦的地面,然后發(fā)射機(jī)向發(fā)射天線供入雙極性方波電流,電流通過導(dǎo)線傳入地下,在大地中形成渦旋電流,進(jìn)而產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場;無人機(jī)攜帶接收裝置在目標(biāo)體上方連續(xù)采集電磁信號,通過對地下目標(biāo)成像得到地下電阻率分布,進(jìn)而探查地下圍巖的電性、規(guī)模和產(chǎn)狀(見圖1)。特別是對于巖溶、含水?dāng)鄬拥冗@類低阻異常體,半航空瞬變電磁法具有較好的分辨率[24]。

圖1 半航空瞬變電磁基本原理示意圖

2.2 測區(qū)工作設(shè)計

半航空瞬變電磁基本工作流程如圖2所示,包括野外數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理與解釋。其中,野外數(shù)據(jù)采集的發(fā)射源設(shè)計運(yùn)用了Chen等[25]提出的最優(yōu)探測區(qū)域設(shè)計公式以確定源的長度和其與隧道線位之間的位置關(guān)系,保證足夠的探測深度,發(fā)射線源與隧道線位近似平行布設(shè),偏移距約為1～1.2 km。接收端航線設(shè)計需覆蓋整個區(qū)域,走向平行于隧道線位,航線一般為10 m,重點(diǎn)區(qū)域可進(jìn)行適當(dāng)加密。

圖2 半航空瞬變電磁探測基本流程圖

砦牙1號隧道和勤蘭隧道探測區(qū)域設(shè)計如圖3、圖4所示。砦牙1號隧址區(qū)內(nèi)共規(guī)劃6條U型航線,測線長度約為3 150 m,測線間距為10 m,地面發(fā)射源長度為1 117 m。勤蘭隧道共規(guī)劃4個區(qū)塊進(jìn)行探測,區(qū)域航線數(shù)量為24條,A、B、C、D區(qū)域?qū)?yīng)的航線長度分別為3 360 m、2 330 m、2 330 m、3 100 m,飛行速度設(shè)置為10 m/s;設(shè)計三條發(fā)射源,長度分別為1 755 m、1 537 m、1 793 m?，F(xiàn)場試驗(yàn)的飛行高度選擇高于測區(qū)地形最高海拔處100～200 m。

圖3 砦牙1號隧道半航空瞬變電磁探測區(qū)域設(shè)計示意圖

圖4 勤蘭隧道半航空瞬變電磁探測區(qū)域設(shè)計示意圖

研究區(qū)探測所用的儀器包括接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)。其中,接收系統(tǒng)為山東大學(xué)自研的半航空瞬變電磁接收線圈、接收機(jī),無人機(jī)采用大疆的M600 PRO旋翼無人機(jī);發(fā)射系統(tǒng)采用EMT6000電磁發(fā)射機(jī)和HJD25000T發(fā)電機(jī)。發(fā)射系統(tǒng)最大發(fā)射電壓為750 V,發(fā)射電流約為10～30 A,接收系統(tǒng)采集頻率為256 kHz。

2.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

在數(shù)據(jù)處理與解釋階段,需要對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和數(shù)據(jù)預(yù)處理,利用使用α-trimmed均值濾波器進(jìn)行天電噪聲去噪,利用Sun等[26]提出的多項(xiàng)式擬合法去除運(yùn)動噪聲,然后進(jìn)行疊加與抽道后獲得常規(guī)瞬變電磁的衰減曲線,用于電阻率成像與解釋。最終對探測結(jié)果進(jìn)行三維視電阻率成圖,結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場已開挖情況進(jìn)行綜合分析解釋,進(jìn)而推斷出可能的隧道風(fēng)險源的位置及規(guī)模,用于指導(dǎo)設(shè)計與施工。

3 探測結(jié)果分析

本研究在天巴路19條巖溶高風(fēng)險隧道開展了應(yīng)用研究,共計完成了174條航線、約30 km的隧道探測工作,并取得了良好的探測成果,成功揭露21處大型地下巖溶,巖溶區(qū)樁號位置與半航空瞬變電磁探測結(jié)果高度吻合,準(zhǔn)確率高達(dá)85%。其中,砦牙1號隧道和勤蘭隧道屬于低阻異常區(qū)較為密集,揭露巖溶發(fā)育區(qū)最多,也是施工風(fēng)險最高的兩條隧道,詳細(xì)的探測結(jié)果和開挖驗(yàn)證如下。

3.1 砦牙1號隧道

如圖5所示,根據(jù)現(xiàn)場SATEM探測結(jié)果,隧道左線在ZK37+357～ZK37+410、ZK37+715～ZK37+810、ZK38+150～ZK38+360段存在3處低阻異常區(qū)。其中樁號ZK37+715～ZK37+810段存在的低阻異常區(qū)域,與前期物探資料中所述ZK37+670～ZK37+875段溶蝕裂隙發(fā)育、巖體破碎的地質(zhì)現(xiàn)象吻合;ZK38+150～ZK38+360段存在的低阻異常區(qū)域與地質(zhì)資料中ZK38+300左側(cè)50m處存在的巖溶洼地的位置相吻合,推斷該巖溶發(fā)育區(qū)與地表溶蝕洼地通過落水洞連通,雨季地表雨水易沿該通道滲入洞體,該巖溶區(qū)起到了雨季消水的作用。隧道右線在樁號K37+160～K37+300、K38+360～K38+420段存在低阻異常區(qū),樁號K37+880～K37+915、K38+000～K38+025段存在垂直低阻異常帶,推斷該處為垂直型巖溶裂隙通道。其中K37+880～K37+915段與前期物探資料中所述K37+677～K37+890段溶蝕裂隙發(fā)育、巖體破碎的地質(zhì)現(xiàn)象吻合,推斷該處垂直低阻異常帶可能與地表溶蝕洼地或者溶蝕裂隙連通,雨季地表雨水易沿該通道滲入洞體。

(a)隧道左洞視電阻率剖面

砦牙1號隧道尚未開挖完成,目前共揭露4處大型巖溶,揭露位置均與半航空瞬變電磁探測結(jié)果高度吻合,詳細(xì)描述如下:

(1)隧道右線K38+175處掌子面右側(cè)揭露出一處廳堂式溶洞,無填充,掌子面圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r,巖質(zhì)較堅硬,巖體較完整,洞壁有水浸痕跡,有明顯的巖溶裂隙通道且通道壁濕潤。半航空瞬變電磁橫縱剖面的探測結(jié)果在此溶洞處有明顯的低阻異常反應(yīng),異常區(qū)呈長條狀且向上延伸至地表洼地。

(2)隧道右線K38+255處揭露一溶洞,溶洞向地表以下發(fā)育約200 m,地表以上發(fā)育約30 m,左右寬約10 m,向掌子面掘進(jìn)方向發(fā)育約10 m,洞頂有滴水。此溶洞揭露位置恰巧位于半航空瞬變電磁探測顯示的低阻異常區(qū)的邊界處,該低阻區(qū)向上發(fā)育且與山頂洼地的覆蓋層的低阻區(qū)連為一體,雨季也易出現(xiàn)洼地內(nèi)地表水沿垂直巖溶裂隙滲入洞內(nèi)的情況,易引起拱頂和拱腰滲水或失穩(wěn)的安全問題。

(3)左線ZK38+412處掌子面正前方揭露一大型溶洞,該溶洞縱向長約26 m,高約23 m,距隧底深約32～36 m,右側(cè)寬約5 m,左側(cè)寬約8 m,隧道從其左上角穿越,縱向約有25 m左右暴露在溶腔中,溶洞內(nèi)無填充物。溶洞揭露位置與半航空瞬變電磁探測顯示的低阻區(qū)異常吻合,且該溶洞頂部存在狹長的垂向通道向上延伸,與探測結(jié)果認(rèn)為此處巖溶與地表洼地存在連通的推斷相吻合。

3.2 勤蘭隧道

根據(jù)圖6的探測結(jié)果,勤蘭隧道沿線低阻異常較多,整體施工風(fēng)險較大,存在K86+440～K87+850、K88+570～K89+750、K90+070～K91+300三處明顯的低阻異常段,均位于隧道設(shè)計高程附近,推斷有溶洞或垂直巖溶裂隙發(fā)育。目前勤蘭隧道還未開挖完成,根據(jù)現(xiàn)場開挖結(jié)果,典型巖溶揭露與探測結(jié)果對比如下:

(a)隧道左洞視電阻率剖面

(1)左線ZK86+556處掌子面正前方揭露大型溶洞,中間有滲水,掌子面主要為潮濕狀態(tài)的土質(zhì),左側(cè)邊墻為基巖;右線K86+576掌子面左側(cè),拱頂至左拱腳有一充填型溶洞,根據(jù)超前水平鉆探報告左側(cè)15 m范圍為溶洞填充淤泥。上述溶洞皆與此前在ZK86+440～ZK86+850段探測結(jié)果中明顯的低阻異常區(qū)高度吻合,且此段異常區(qū)位于山頂洼地處,具備巖溶發(fā)育條件。

(2)進(jìn)口右洞掌子面掘進(jìn)至K87+603處時,揭露大型溶洞,初步推測為落水溶洞,與地表洼地相連,掌子面中間底部存在2～3 m寬巖溶裂隙,縱向長目測20 m以上,與左側(cè)大溶洞相連。此溶洞揭露位置與此前探測的K86+440～K86+850段低阻區(qū)異常吻合,且該溶洞位于山體洼地處,屬于典型的地表巖溶匯水區(qū),特別是雨季地表水易沿垂直裂隙滲入洞內(nèi),隧道施工中拱頂和拱腰處存在滲水或坍塌的安全隱患。

綜上所述,砦牙1號隧道和勤蘭隧道揭露的溶洞與半航空瞬變電磁法的探測結(jié)果高度吻合,成功預(yù)測了多個大型溶洞,證實(shí)了該方法在復(fù)雜地形下巖溶勘察的可行性和準(zhǔn)確性,可有效獲取地下巖溶等災(zāi)害源的電磁響應(yīng)規(guī)律。目前,依托SATEM探測結(jié)果,現(xiàn)場施工人員已提早制定預(yù)案并成功穿越這幾處高風(fēng)險段,并且指導(dǎo)施工階段的圍巖分級,極大地提高了施工效率,規(guī)避了人員和財產(chǎn)的損失。

4 結(jié)語

本文以廣西天峨—巴馬高速公路全線隧道為例,利用半航空瞬變電磁法在全線19條隧道開展探測工作,成功探測了21處巖溶區(qū)域,通過對半航空瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理與分析,可得出如下結(jié)論:(1)半航空瞬變電磁法適用于復(fù)雜地形條件的隧道勘察,能夠有效識別巖溶等低阻常體,探測結(jié)果與揭露的溶洞高度吻合;(2)半航空瞬變電磁法為隧道設(shè)計和施工提供了較為可靠的勘察資料,也為隧道圍巖分級和風(fēng)險區(qū)劃分提供了指導(dǎo)依據(jù)。

作為一種新型的地球物理勘察手段,半航空瞬變電磁法在復(fù)雜地形區(qū)域內(nèi)隧道勘察領(lǐng)域具有較高工程應(yīng)用價值,未來有望在礦產(chǎn)勘察、水文地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域開展更廣泛的應(yīng)用。