綜合物探在隧道突涌區(qū)繞行方案選取中的應(yīng)用

曹 強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

為加快西部經(jīng)濟(jì)建設(shè)，我國(guó)正在進(jìn)行一輪鐵路建設(shè)熱潮，西部地區(qū)地形高低起伏、高山峽谷分布廣泛。鐵路建設(shè)過(guò)程中，常常需要修建長(zhǎng)大隧道來(lái)克服地形影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年年底，我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路(含高鐵和普鐵)中長(zhǎng)度大于3 km的長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道有304座，總長(zhǎng)1 802 km，正在建設(shè)的鐵路中長(zhǎng)度大于3 km的長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道有280座，總長(zhǎng)度2 016 km[1]。目前，在建鐵路線有鄭萬(wàn)高鐵、成昆復(fù)線、貴南高鐵、玉磨鐵路、大瑞鐵路、渝昆高鐵、川藏鐵路等，這些線路地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧道所占的比重大，隧道修建的難度也很大[2]。隧道建設(shè)過(guò)程中，巖溶及巖溶水危害十分突出，經(jīng)常遇到突水涌泥涌砂、巖爆、瓦斯等地質(zhì)災(zāi)害，其中突水涌泥涌砂尤為嚴(yán)重。例如在建的成昆復(fù)線、玉磨鐵路、貴南高鐵均發(fā)生過(guò)不同規(guī)模的突涌，造成一定的財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)建設(shè)工期也有一定影響。當(dāng)隧道發(fā)生突涌之后，采取正面直接處理一般很困難，并且需要時(shí)間長(zhǎng)。為了保證工期，節(jié)約成本，多數(shù)情況下會(huì)選擇繞行措施，開(kāi)辟新的工作面[3-5]。如何確保繞行線路的施工安全，繞行線路的選擇和繞行切入點(diǎn)尤為關(guān)鍵，本文結(jié)合新建成昆復(fù)線工程實(shí)例，采用地表物探與洞內(nèi)物探相結(jié)合的綜合物探技術(shù)，通過(guò)地表施作音頻大地電磁法宏觀探測(cè)突涌區(qū)范圍，為線路選擇提供依據(jù)；同時(shí)通過(guò)隧道內(nèi)邊墻施作瞬變電磁法探測(cè)邊墻后方圍巖含水情況，為繞行切入點(diǎn)提供依據(jù)。綜合物探資料有效地指導(dǎo)了繞行方案的選取，成功避開(kāi)了突涌區(qū)。

1 音頻大地電磁法、瞬變電磁法基本原理

1.1 音頻大地電磁法(AMT)

AMT屬于頻率域電磁法，為天然場(chǎng)源，其根據(jù)地下圍巖與探測(cè)目標(biāo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的物性差異，通過(guò)研究電場(chǎng)、磁場(chǎng)的衰減規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下地質(zhì)體探測(cè)的一種物探方法[6]。在均勻各向同性層狀介質(zhì)條件下，大地電磁場(chǎng)是垂直投射到地下的平面電磁波，不同頻率的電磁波具有不同的穿透深度，頻率越低，探測(cè)深度越深。在地表用電極和磁棒可采集到相互正交的電磁場(chǎng)分量為Ex，Ey，Hx，Hy，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知測(cè)點(diǎn)處的卡尼亞視電阻率和穿透深度。

卡尼亞視電阻率：

(1)

其中，ρa(bǔ)為電阻率；ω為角頻率；μ為大地磁導(dǎo)率；Ex，Hy分別為電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度。

穿透深度：

(2)

其中，δ為穿透深度；f為電磁場(chǎng)頻率。

音頻大地電磁法與傳統(tǒng)的直流電法相比，具有受地形影響小、探測(cè)深度大、能穿透高阻層、野外采集方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)其優(yōu)點(diǎn)，音頻大地電磁法在埋深大、地表地形起伏、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道勘察中具有廣泛的應(yīng)用[7-9]。

1.2 瞬變電磁法(TEM)

TEM屬于時(shí)間域電磁法，是以地下目標(biāo)體與圍巖電導(dǎo)率差異為基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)研究電磁場(chǎng)時(shí)間和空間分布規(guī)律，以探測(cè)良導(dǎo)目標(biāo)體的一種物探方法[10]。其探測(cè)原理是：通過(guò)發(fā)射機(jī)向發(fā)射回線上提供電流脈沖方波，在斷電瞬間產(chǎn)生垂直于發(fā)射線圈的感應(yīng)磁場(chǎng)，稱(chēng)為一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)向地下傳播。地下目標(biāo)體在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，產(chǎn)生渦旋電流，產(chǎn)生渦流的大小與地下目標(biāo)體電導(dǎo)率正相關(guān)。一次磁場(chǎng)消失后，渦旋電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)不會(huì)立刻消失，而是隨時(shí)間衰減。通過(guò)采集線圈或磁棒可對(duì)二次磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，分析二次磁場(chǎng)在不同時(shí)間點(diǎn)的衰減變化，實(shí)現(xiàn)地下目標(biāo)體電阻率分布情況的探測(cè)。

均勻全空間介質(zhì)中水平圓形回線發(fā)射框中心的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

(3)

其中，I0為供電電流強(qiáng)度；t為觀測(cè)時(shí)間；u為大地磁導(dǎo)率；S為接收線圈的等效面積；r0為發(fā)射線圈半徑。

同時(shí)，

(4)

(5)

其中，S0為發(fā)射線圈的面積。

由于瞬變電磁法對(duì)良導(dǎo)體具有較好的探測(cè)效果，近年來(lái)，鐵路隧道建設(shè)過(guò)程中，將瞬變電磁法作為一種有效的探索手段引進(jìn)到隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，并取得不錯(cuò)的探測(cè)效果[12-16]。

2 工程實(shí)例

在建成昆鐵路復(fù)線某極高風(fēng)險(xiǎn)隧道全長(zhǎng)11 120 m，設(shè)有一個(gè)平導(dǎo)，兩個(gè)橫洞，其中2號(hào)橫洞全長(zhǎng)1 067 m。隧址區(qū)地形為高山峽谷區(qū)，山高坡陡，溝谷下切強(qiáng)烈，大涼山斷裂的分支普雄—尼日河活動(dòng)斷裂沿尼日河分布。沿線出露地層主要有侏羅系、二疊系、泥盆系、志留系、奧陶系、寒武系及震旦系上統(tǒng)地層，大部分為可溶巖地層，少部分為玄武巖、砂泥巖及斷層破碎帶等。普雄—尼日河活動(dòng)性逆斷層與2號(hào)橫洞相交，夾角為87°，為東傾斜走向活動(dòng)性逆斷層，該斷層位于震旦系上統(tǒng)燈影組、三疊系上統(tǒng)白果灣組灰白色白云巖、灰色泥巖、粉砂巖地層中，走向長(zhǎng)20.2 km。斷層走向N20～30°W，傾向NE，傾角60°～75°，斷距200 m～300 m。斷層帶巖體破碎，巖體完整性差。

2號(hào)橫洞施工至里程H2DK0+225時(shí)，隧道埋深約為600 m，發(fā)生了突水突砂，突砂方量約10 000 m3。該段地層為震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖，地層古老，在普雄—尼日河活動(dòng)性斷裂影響下，巖體破碎。由于地下水長(zhǎng)期的溶蝕作用，形成砂化白云巖，并產(chǎn)生一種飽含水的“砂包石狀”結(jié)構(gòu)。隧道開(kāi)挖后，形成臨空面，在重力和滲透壓作用下，由地下水和砂化白云巖組成的“砂包石狀”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生潰決，發(fā)生突涌。突水突砂發(fā)生之后，由于涌砂量大，掌子面后上方出現(xiàn)大的空腔，圍巖極破碎。如果正面掘進(jìn)通過(guò)，工程措施難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、時(shí)間久，為保證施工安全和施工進(jìn)度，決定繞行。

3 測(cè)線的布置

3.1 AMT測(cè)線布置

在該隧道2號(hào)橫洞H2DK0+150，H2DK0+200，H2DK0+250地表垂直于2號(hào)橫洞中線方向分別布置AMT橫測(cè)線三條，編號(hào)分別為：WT-1，WT-2及WT-3(見(jiàn)圖1)，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距20 m。本次工作采用MTU-5A大地電磁儀采集數(shù)據(jù)，共完成48個(gè)電磁測(cè)深點(diǎn)和3個(gè)檢查點(diǎn)。

3.2 TEM測(cè)線布置

在2號(hào)橫洞洞內(nèi)H2DK0+340～H2DK0+280段垂直于左邊墻和右邊墻分別布置1條瞬變電磁測(cè)線(見(jiàn)圖2)，每條測(cè)線點(diǎn)距2 m，通過(guò)移動(dòng)發(fā)射接收線圈，形成2條實(shí)測(cè)剖面。本次工作采用YCS2000A型礦用瞬變電磁儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選取中心回線裝置，邊長(zhǎng)2 m的激發(fā)正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)10匝，接收探頭等效面積450 m2。供電電流為4.5 A，采樣時(shí)間100 ms，采樣率250 kHz。為保證原始數(shù)據(jù)的可靠性，提高信噪比，每個(gè)測(cè)點(diǎn)疊加次數(shù)不少于100次。

4 資料解譯及繞行方案的選取

4.1 AMT探測(cè)成果

通過(guò)二維反演，獲取了三條測(cè)線反演電阻率剖面(見(jiàn)圖3～圖5)。

縱觀各測(cè)線的反演電阻率斷面圖，總體特征表現(xiàn)為電阻率以中高阻為背景、橫向上高低阻相間，其中2號(hào)橫洞中線右側(cè)區(qū)域整體電阻率相對(duì)左側(cè)較高。在各測(cè)線的中部隧道位置均出現(xiàn)一低阻異常，已開(kāi)挖的2號(hào)橫洞H2DK0+250位置，部分地下水已通過(guò)2號(hào)橫洞排泄，其洞身位置也呈現(xiàn)相對(duì)低阻。通過(guò)上述分析，推測(cè)巖溶發(fā)育區(qū)及地下水運(yùn)移通道為相對(duì)低阻特征，相對(duì)高阻區(qū)域巖溶和地下水相對(duì)弱發(fā)育。

4.2 TEM探測(cè)成果

通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理(電感校正、曲線偏移、小波變換)，計(jì)算晚期視電阻率，最后進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，獲得左、右邊墻前方視電阻率剖面(見(jiàn)圖6)。

對(duì)比左右邊墻瞬變電磁法視電阻率成果圖分析，在測(cè)線范圍內(nèi)左邊墻前方視電阻率值整體比右邊墻前方低，推測(cè)左邊墻前方圍巖巖體更破碎、含水量更大；根據(jù)右邊墻瞬變電磁法視電阻率成果圖分析，H2DK0+288～H2DK0+294范圍視電阻率值相對(duì)兩側(cè)較高，推測(cè)該范圍內(nèi)右邊墻前方圍巖巖體較兩側(cè)稍好，含水量較少。根據(jù)洞內(nèi)TEM視電阻率剖面成果圖，建議從線路右側(cè)繞行，且繞行切入點(diǎn)選擇在H2DK0+290附近。

4.3 繞行線路的選取

2號(hào)橫洞隧底平均標(biāo)高為1 468.7 m，將該標(biāo)高處的AMT電阻率投影到平面圖上，并根據(jù)電阻率高低圈定“富水或巖溶強(qiáng)烈發(fā)育體”“含水或巖溶中等發(fā)育體”以及“巖溶弱發(fā)育體”，見(jiàn)圖7。整體上2號(hào)橫洞線路右側(cè)存在大片的“巖溶弱發(fā)育體”，巖溶相對(duì)弱發(fā)育，這與洞內(nèi)TEM成果能相互印證，提高了資料的可信度。因此，繞行線路選擇從2號(hào)橫洞線路右側(cè)的“巖溶弱發(fā)育體”區(qū)繞行，并且繞行切入點(diǎn)選擇在H2DK0+290，如圖7所示。目前，繞行的2號(hào)橫洞已經(jīng)成功掘進(jìn)至線路正洞，期間再未發(fā)生過(guò)突涌。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)工程實(shí)例，取得以下結(jié)論：1)音頻大地電磁法勘探深度大、受地形影響小，對(duì)于深埋隧道能有效探測(cè)隧址區(qū)地下水或巖溶體發(fā)育情況，能宏觀指導(dǎo)繞行線路的選取。2)礦用瞬變電磁儀配置小線圈，能對(duì)隧洞內(nèi)邊墻兩側(cè)區(qū)域相對(duì)含水情況進(jìn)行有效探測(cè)，對(duì)繞行線路切入點(diǎn)的選取具有指導(dǎo)意義。3)對(duì)于需要繞行的隧洞，利用地表與洞內(nèi)物探相結(jié)合的綜合方法，能快速、有效的選取繞行方案和繞行切入點(diǎn)，對(duì)安全施工和保證工期具有積極作用。