高風險巖溶隧道瞬變電磁探測與應用研究

張以澤 朱偉強 陳樹見

(云南第二公路橋梁工程有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入開展，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)突水、突泥、塌方、瓦斯燃燒等事件，給施工帶來極大困難，造成巨大人身傷亡事故［1，2］。因此，王夢恕院士［3］指出超前地質(zhì)預報應該也必須作為工序列入工程成本。

瞬變電磁勘探(簡稱TEM)對地下良導電介質(zhì)具有較強的響應能力，適用于斷層及裂隙帶富水性評價含(隔)水層劃分等［4，5］，具有突出地電異常響應、無電極接觸制約、穿透高阻覆蓋能力強、體積效應小、低阻反應靈敏、施工速度快、效率高等特點。

因此，采用TEM超前地質(zhì)預報對高風險隧道進行預報對施工有較好的指導意義，能達到減小地質(zhì)災害的目的。

1 TEM探測原理

在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發(fā)射回線在回線中供以階躍脈沖電流。

在電流斷開之前(t＜0時)，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場，如圖1所示。

圖1 矩形框磁力線

在t=0時刻，電流突然斷開，產(chǎn)生的磁場也立即消失。由于介質(zhì)的歐姆損耗，感應電流迅速衰減，產(chǎn)生的磁場也隨之迅速衰減，感應出新的強度更弱的渦流，伴隨這一過程存在的電磁場便是大地的瞬變電磁場。

2 工程概況

峽口隧道進口位于興山縣峽口鎮(zhèn)之高嵐河北西岸，出口位于峽口鎮(zhèn)泗湘溪河李家溝境內(nèi)，隧道進口與石家壩大橋巴東臺相連，隧道所穿越的河間地塊為單斜構(gòu)造區(qū)，由寒武系～奧陶系碳酸鹽巖地層、志留系～泥盆系碎屑巖地層、二疊系～三疊系碳酸鹽巖地層構(gòu)成，地層走向近南北，中等傾斜，傾向西～西南。

本區(qū)基本構(gòu)造格局由印支—燕山運動奠定，在此基礎上新構(gòu)造運動進一步發(fā)生和發(fā)展，造成走廊區(qū)現(xiàn)代地貌格局和地震及斷裂活動。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動的主要方式為地殼不均勻抬升，即大面積間歇性隆升，遭受風化剝蝕與外營力(主要是重力和水動力)作用，發(fā)育侵蝕溶蝕以及滑動、崩塌等地質(zhì)現(xiàn)象。

3 TEM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和解釋

本次瞬變電磁法勘探采用重疊回線裝置，發(fā)射頻率為8.3 Hz，發(fā)射線框采用多匝1.0 m×1.0 m矩形回線。探測分水平和垂直兩個方向扇形掃描及橫測線平移探測，水平方向掃描左右各70°范圍，每15°一個測點，共11個測點，垂直方向相似，掃描上下各60°范圍，每10°一個測點，共11個測點。

參考工程地質(zhì)調(diào)繪情況，結(jié)合TEM物探成果資料解釋結(jié)果，得出如下綜合性結(jié)論:在本次探測掌子面右前方ZK108+505～ZK108+455范圍內(nèi)存在隧道設計縱剖面上一個自上而下(右上方向左下方斜向分布)的狹長高含水量破碎帶或含水巖溶通道。故在本次探測成果資料中，屬于低阻異常區(qū)域一定要加強水文地質(zhì)觀測和超前鉆探工作，要打鉆驗證物探結(jié)果，提前采取安全防護措施，保障安全生產(chǎn)(見圖2)。

圖2 預報成果圖

4 實際開挖結(jié)果驗證

當隧道施工至ZK108+490時，出現(xiàn)溶洞，如圖3所示。

圖3 溶洞揭露照片

根據(jù)實際開挖結(jié)果對照，TEM超前地質(zhì)預報比較準確的預報了溶洞的位置，為隧道的施工安全起到了指導作用。

5 結(jié)語

1)隧道施工初勘不能較準確的確定不良地質(zhì)體的發(fā)育位置和情況，所以在施工過程中超前地質(zhì)預報必須列入工序。2)通過TEM超前地質(zhì)預報，準確預報了峽口隧道ZK108+490處的不良地質(zhì)情況，為隧道施工和及時調(diào)整支護參數(shù)提供依據(jù)，有效地控制和避免地質(zhì)災害的發(fā)生，保證了隧道的順利施工。

［1］鐘世航，孫宏志，王 榮，等.隧道掌子面前方地質(zhì)預報的現(xiàn)狀及發(fā)展之路［J］.工程地球物理學報，2007，4(3):180-185.

［2］何發(fā)亮，李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預報技術的發(fā)展［J］.現(xiàn)代隧道技術，2001，38(3):12-14.

［3］王夢恕.對巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預報的意見［J］.鐵道勘查，2004(1):7-9，18.

［4］蔣邦遠.實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，1998.

［5］李 貅.瞬變電磁測深的理論與應用［M］.西安:陜西科學技術出版社，2002.