(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 濟(jì)寧 272100)
目前對(duì)于高速公路、油氣輸送管道、地鐵、隧道工程等都作為控制性工程,尤其對(duì)于復(fù)雜地形條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí),較差的圍巖隧道地質(zhì)工程情況,隧道開(kāi)挖施工也會(huì)在一定范圍內(nèi)形成圍巖松動(dòng)區(qū)域,對(duì)圍巖局部地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞[1]。瞬變電磁法我國(guó)已成功應(yīng)用在地礦、水利水電系統(tǒng)的找礦、找水、巖溶勘探等工程中,近年來(lái)在交通系統(tǒng)已逐步引進(jìn)并得到推廣,主要用于路基勘察、隧道施工的超前預(yù)報(bào),適用于山區(qū)隧道類(lèi)勘探工程[2,3]。對(duì)瞬變電磁法原理、工作、特點(diǎn)、資料等進(jìn)行概述,由于具有發(fā)現(xiàn)異常能力強(qiáng)、探測(cè)深度大、受地形影響小、設(shè)備輕、效率高等優(yōu)點(diǎn),能較好地適合于公路深埋長(zhǎng)隧道的勘探。所以在文中結(jié)合隧道采空區(qū)的實(shí)際情況展開(kāi)勘探工作。本文提出瞬變電磁法運(yùn)用于隧道勘探中,對(duì)技術(shù)應(yīng)用情況展開(kāi)分析。
該方法在應(yīng)用中作為基于電磁感應(yīng)原理,所形成的從時(shí)間域人工源探測(cè)技術(shù)手段。能夠運(yùn)用磁源、電偶源,成功向地下完成一次性脈沖磁場(chǎng)的成功發(fā)送,并在激發(fā)作用下,地質(zhì)體內(nèi)存在的激勵(lì)感應(yīng)渦流,會(huì)以時(shí)間的具體改變情況隨之感應(yīng)電磁場(chǎng)[4]。由于在二次場(chǎng)內(nèi)包含豐富的地下地質(zhì)電信息,對(duì)于一次脈沖磁場(chǎng)間歇過(guò)程中,可以充分運(yùn)用接地電極與線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)二次場(chǎng)的有效觀測(cè),并提取分析相關(guān)信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)底下地質(zhì)探測(cè)。
以電磁感應(yīng)原理為依據(jù),無(wú)論頻率域或時(shí)間域電磁場(chǎng),都應(yīng)當(dāng)以Maxwell方程式為依據(jù),也為了便于獲得時(shí)間域電磁場(chǎng),需要以Maxwelle方程求得頻率域電磁場(chǎng),并經(jīng)富氏變換求解時(shí)間域瞬變電磁場(chǎng)?;诖怪贝排荚礂l件,均勻半空間二次電位表達(dá)公式如下:
式中:發(fā)射磁矩用M表示,發(fā)送電流用I表示,發(fā)回線面積用ST表示;均勻半空間電阻率用ρ表示;電圈接收有效面積用q表示。
本次隧道勘探工區(qū)經(jīng)前期調(diào)查達(dá)1200m~1500m高,呈現(xiàn)東北高、西南低的地貌傾斜趨勢(shì)。由于產(chǎn)生的水流向源侵蝕作用,形成了數(shù)條樹(shù)枝形狀的沖溝地貌,溝谷、沙丘、丘陵地勢(shì)結(jié)合地形地貌十分復(fù)雜化。本次綜合運(yùn)用勘探技術(shù)手段的測(cè)區(qū),地貌呈侵蝕性丘陵,沿溝谷外露,呈低山丘陵地貌呈現(xiàn)較大的隧道線位起伏。能夠發(fā)現(xiàn)陡峭懸崖,并且可見(jiàn)粉砂巖、礫巖、花崗巖、變質(zhì)細(xì)砂巖存在溝壑內(nèi)。
結(jié)合該工區(qū)的實(shí)際情況在運(yùn)用瞬變電磁法時(shí),從電性角度看,區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層、全風(fēng)化巖石、含水構(gòu)造帶的電阻率較低,<40Q·m,而強(qiáng)風(fēng)化巖石的電阻率約為40Q·m~200Q·m,中風(fēng)化巖石的電阻率約為200Q·m~400Q·m,弱風(fēng)化巖石的電阻率>400Q·m。它們之間的電阻率差異明顯,可見(jiàn),該區(qū)具備開(kāi)展TEM的電性條件。
在運(yùn)用瞬變電磁法開(kāi)展本次隧道勘探野外工作中,具體流程(見(jiàn)圖1),首先確定該工區(qū)的異常完成性及周?chē)尘皥?chǎng),然后確定剖面點(diǎn)距以異常完整性達(dá)到3個(gè)以上,并在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行密切觀測(cè)。在開(kāi)工收工后,檢查儀器設(shè)備保證設(shè)備合格性,并根據(jù)有關(guān)規(guī)定完成操作,保證同測(cè)區(qū)的儀器參數(shù)等同。在線框布設(shè)過(guò)程中,需要在地面按照S型鋪設(shè),一旦遇到可疑點(diǎn)、突變點(diǎn)、異常點(diǎn),要進(jìn)行重復(fù)觀測(cè),或檢查是否為假異常。選用ProTEM系列(加拿大)瞬變電磁儀設(shè)備,設(shè)定3A以上的儀器設(shè)備發(fā)射電流參數(shù),控制通道靈敏度在0.5μV以?xún)?nèi),輸入等效噪聲在1μV以?xún)?nèi)。水平鋪設(shè)現(xiàn)況,控制擺動(dòng)幅度在回線邊長(zhǎng)5%以?xún)?nèi),還要控制在5%以?xún)?nèi)的線框角點(diǎn)位誤差。最終確定10m的測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距,分別為200m×200m、20m×20m的發(fā)射、接收線框。
圖1 瞬變電磁法野外工作示意圖
運(yùn)用瞬變電磁法處理數(shù)據(jù)時(shí),需要對(duì)外部電磁對(duì)數(shù)據(jù)造成的干擾快速消除,處理中校正地形并對(duì)地形地表產(chǎn)生的數(shù)值影響快速消除,盡快恢復(fù)地下導(dǎo)電地質(zhì)體瞬變相應(yīng)的變化規(guī)律特點(diǎn),結(jié)合順便響應(yīng)具體特征結(jié)構(gòu),成功消除外部電磁噪聲信號(hào),并對(duì)固有的感應(yīng)信號(hào)衰變規(guī)律特征逐漸恢復(fù),來(lái)達(dá)到瞬變響應(yīng)的反演、成像需求。運(yùn)用EMIGMA軟件處理獲得的勘測(cè)數(shù)值,完成數(shù)據(jù)編輯后構(gòu)建初始模型,并對(duì)該模型實(shí)施一系列迭代演練,最終控制反演擬合誤差小于5%。通過(guò)采用儀器配套攜帶畫(huà)圖軟件,完成電阻率-頻率曲線圖繪制,并逐個(gè)糾正曲線畸變點(diǎn)。之后建立而為模型,并作二維反演處理過(guò)程后,繪制反演圖結(jié)合測(cè)試工區(qū)的電阻率異常情況,對(duì)地質(zhì)的界限、構(gòu)造、地下水和斷層情況進(jìn)行分析。
每天施工前都對(duì)儀器進(jìn)行檢校,達(dá)到儀器檢校標(biāo)準(zhǔn)后才投入到施工中,施工中對(duì)可疑點(diǎn)、異常點(diǎn)都進(jìn)行了多次重復(fù)觀測(cè),衰減曲線正常才記錄。
圖2 瞬變電磁法主測(cè)線電磁電阻率等值線斷面
(見(jiàn)圖1)作為采用瞬變電磁法獲得的主測(cè)線電磁電阻率等值線斷面,可以發(fā)現(xiàn)主要對(duì)于+325~+425這一段,+525~+850這一段,以及+950~+1100這一段發(fā)生劇烈明顯的橫向電阻率變化情況,切斷了橫向電阻率連續(xù)性,產(chǎn)生異常低阻區(qū)域。與前期調(diào)查該工區(qū)的實(shí)際情況相關(guān)資料,發(fā)現(xiàn)主要是開(kāi)采煤層出現(xiàn)積水情況。布設(shè)與注冊(cè)線平行的旁側(cè)線,兩線間隔30m,根據(jù)該成果圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)幾乎一致的異常所在位置。
圖3 瞬變電磁法二次電位剖面
(見(jiàn)圖3)作為瞬變電磁法獲得的二次電位剖面與實(shí)際勘探現(xiàn)場(chǎng)情況結(jié)合,發(fā)現(xiàn)具備較大相似度的電性結(jié)構(gòu)。根據(jù)主測(cè)線可以發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)高-低分布,不同段的地質(zhì)情況都能夠結(jié)合工區(qū)實(shí)地資料加以明確。橫向上從左至右看,視電阻率從低(10Q·m)至高(800Q·m)再至低(10Q·m),視縱向電異率由高(>15s)至低(<5s)再至高(>15s),反映了隧道進(jìn)口至中部再至出口,地層風(fēng)化由強(qiáng)變?nèi)踉僦翉?qiáng)的地質(zhì)分層特點(diǎn)。
根據(jù)該圖可看出,隧道共有6個(gè)較明顯的異常地段,二次電位及視電阻率等值線異常突變。由于K13+100~+200地下泉水豐富,推測(cè)該異常為地下水所致,而其他異常則為斷層所致。
綜上所述,在隧道勘探工作中通過(guò)運(yùn)用瞬變電磁法,能夠獲得有效的隧道采空區(qū)勘探結(jié)果。但是需要注意的是在運(yùn)用瞬變電磁法時(shí),仍然無(wú)法獲得準(zhǔn)確的不良地質(zhì)體定位結(jié)果,只有進(jìn)一步深入研究該技術(shù)理論,才能夠進(jìn)一步提高瞬變電磁法的結(jié)果準(zhǔn)確性。