基于TEM的玉磨鐵路隧道滲漏水狀態(tài)預(yù)測方法研究

代昱昊，王 華，彭桂彬

(中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511464)

0 引 言

目前，國內(nèi)瞬變電磁探測結(jié)論是根據(jù)由探測數(shù)據(jù)反演而成的視電阻率進(jìn)行分析得到的。但是，視電阻率是用來表征巖體導(dǎo)電性的一種參數(shù)，受巖體礦物種類、巖體礦物含量、巖體分布形態(tài)、地下裂隙水等因素影響，具有區(qū)域差異性。因此，瞬變電磁探測結(jié)論高度依賴作業(yè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，具有較高的主觀性，存在較大的人為因素導(dǎo)致的偏差。

具有較高人為性的瞬變電磁探測結(jié)論，已不適用于地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶上，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)劇烈，存在區(qū)域性大斷裂及其眾多次生斷裂，地質(zhì)條件極其復(fù)雜[1-3]的新建玉磨鐵路工程。以玉磨鐵路新平隧道為例。玉磨鐵路新平隧道圍巖多為砂巖、砂質(zhì)板巖，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，圍巖極其破碎，層間結(jié)合差，透水性良好，自穩(wěn)性能差，導(dǎo)致該隧道掌子面在股狀地下水沖刷下極易漸變?yōu)橛客粸?zāi)害，嚴(yán)重影響現(xiàn)場安全生產(chǎn)。而能明確指出存在股狀地下水的瞬變電磁探測結(jié)論準(zhǔn)確率低下，不足20%，無法滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需要。

為了提高瞬變電磁探測結(jié)論的客觀性和準(zhǔn)確性，滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需要，基于玉磨鐵路新平隧道現(xiàn)場大量的瞬變電磁試驗(yàn)，將其轉(zhuǎn)化所得到的視電阻率圖與開挖揭示的滲漏水狀態(tài)進(jìn)行大量對(duì)比分析，筆者提出了一個(gè)新的定量判斷方法，對(duì)隧道掌子面前方某一里程的地下水滲漏水狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

1 現(xiàn)場瞬變電磁試驗(yàn)

1.1 瞬變電磁原理

瞬變電磁法(transient electromagnetic method)，屬于時(shí)間域電磁法(簡稱TEM)，它遵循電磁感應(yīng)原理，利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用接收線圈觀測由地下介質(zhì)引起的二次感應(yīng)磁場，從而探測地下介質(zhì)視電阻率的一種方法[4-6]。

在隧道中施做瞬變電磁試驗(yàn)時(shí)，隧道已開挖部分相對(duì)于周圍地下空間是很小的，可以將探測過程看作是在地下全空間進(jìn)行。全空間瞬變電磁二次感應(yīng)渦流場，以發(fā)射線圈為中心，沿發(fā)射線圈所在平面向外傳播和衰減[7]，不同時(shí)間到達(dá)不同深度和范圍。

二次渦流場的表現(xiàn)與地下介質(zhì)的電性有關(guān)。同類巖層相比，巖層較為完整時(shí)視電阻率值一般相對(duì)較高，引起的渦流場較弱；而巖層富水時(shí)視電阻率值相對(duì)較低，引起的渦流場較強(qiáng)，所以，通過觀測二次渦流場就可以掌握地下介質(zhì)的視電阻率值分布情況，從而推斷出相應(yīng)介質(zhì)的賦存位置等情況。

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

在該隧道任一掌子面進(jìn)行試驗(yàn)，儀器選擇PROTEM 47HP型瞬變電磁儀。為降低線圈互感效應(yīng)，試驗(yàn)裝置選用平行偶極裝置(圖1)，發(fā)射線圈為2 m×2 m正方形線框，匝數(shù)64匝，供電電流為1 A；接收線圈等效面積31.4 m2。為提高信噪比，確保原始數(shù)據(jù)的可靠性，發(fā)射主機(jī)發(fā)射頻率是6.25 Hz，關(guān)斷時(shí)間設(shè)置為150 μs，積分時(shí)間設(shè)置為15 s，采集門數(shù)為30門，增益倍數(shù)為4。

備注：

1)為了保護(hù)人員和儀器安全，接收線圈中心距離隧道掌子面不應(yīng)小于4 m；

2)為了減少線圈互感效應(yīng)，發(fā)射線圈與接收線圈中心相距不應(yīng)小于6 m；

3)為了保證現(xiàn)場使用方便，兩線圈高度不做限制，兩線圈中心線可以偏離隧道中心線1～2 m；

4)在探測過程中，發(fā)射線圈與接收線圈必須保持中心軸線平行，進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

以掌子面方向?yàn)閰⒖剂泓c(diǎn)，在水平方向上，發(fā)射線圈從右45°～左45°，每偏移15°為一組數(shù)據(jù)，共7組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)中，發(fā)射線圈從上傾45°～下傾45°，每偏移15°為一個(gè)數(shù)據(jù)，共7個(gè)數(shù)據(jù)。則此種試驗(yàn)方法共得到49個(gè)數(shù)據(jù)，具體見圖2。

圖2 隧道瞬變電磁探測方法

1.3 試驗(yàn)結(jié)果處理流程

針對(duì)瞬變電磁探測數(shù)據(jù)，經(jīng)過“文件格式轉(zhuǎn)換”→“數(shù)據(jù)預(yù)處理”→“生成斷面文件”→“時(shí)深轉(zhuǎn)換”→“深度校正”→“超前探測坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”→“白化”→“斷面圖繪制”→“生成視電阻率剖面圖”的處理流程，共得到7張視電阻率二維平面圖。

其中，“時(shí)深轉(zhuǎn)換”由反演計(jì)算完成，反演后的深度為視深度，需要校正；“深度校正”參數(shù)一般由現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)資料確定，關(guān)于本試驗(yàn)中的“深度校正”參數(shù)，不是根據(jù)理論計(jì)算得到，而是采用超前鉆探試驗(yàn)驗(yàn)證不良含水體獲得，近似為一個(gè)常數(shù)，能滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的要求。

2 隧道滲漏水狀態(tài)預(yù)測模型

2.1 基于Voxler軟件構(gòu)建三維含水體模型

針對(duì)瞬變電磁試驗(yàn)得到的視電阻率二維數(shù)據(jù)，采用極坐標(biāo)法使其二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成三維坐標(biāo)[8]，輸入Voxler軟件，并以隧道斷面底板中點(diǎn)為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，同時(shí)以隧道底板為X軸，沿隧道軸線方向?yàn)閅軸，沿隧道中線為Z軸，在隧道底板上方建立含水體模型。由該隧道開挖斷面14 m(寬)×12 m(高)確定此含水體模型的尺寸為80 m×40 m×40 m(長×寬×高)，具體見圖3。瞬變電磁有效探測距離取100 m，扣除20 m的盲區(qū)，則在建立的含水體模型坐標(biāo)軸Y軸上，起始里程為20 m，終點(diǎn)里程為100 m。

圖3 三維含水體模型及其坐標(biāo)系

2.2 視電阻率區(qū)間范圍與地下水滲漏水狀態(tài)的關(guān)系

在瞬變電磁準(zhǔn)確探水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)視電阻率現(xiàn)有研究成果[9-10]和該隧道瞬變電磁試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將試驗(yàn)所得視電阻率二維平面圖與隧道掌子面地質(zhì)素描進(jìn)行海量對(duì)比分析，可得視電阻率區(qū)間范圍與地下水滲漏水狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如表1。

表1 視電阻率與地下水滲漏水狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 建立隧道滲漏水狀態(tài)預(yù)測模型

在建立的80 m×40 m×40 m(長×寬×高)含水體模型中，某一里程L(0≤L≤75)的隧道掌子面滲漏水狀態(tài)，考慮到玉磨鐵路新平隧道板巖、砂巖良好的滲透性和視電阻率校正深度與真實(shí)深度的誤差，則將計(jì)算范圍定為里程L至里程(L+5)，即里程L(0≤L≤75)處的計(jì)算模型為5 m×40 m×40 m(長×寬×高)。因此，里程L處的隧道掌子面滲漏水狀態(tài)參數(shù)值K與L無關(guān)，只與里程L～(L+5)范圍內(nèi)的視電阻率分布狀態(tài)相關(guān)。

則某一里程L(0≤L≤75)的隧道掌子面滲漏水狀態(tài)參數(shù)值K為：

式中：ki為視電阻率區(qū)間[0，1]、(1，2]、(2，4]、(4，10]、(10，30]的滲漏水狀態(tài)參數(shù)，考慮到掌子面一般情況下不封閉而導(dǎo)致地下水不斷流失的情況，則取各個(gè)區(qū)間范圍2/3處的值；vi為視電阻率各區(qū)間在研究段內(nèi)含水構(gòu)造體中的體積；V為研究段內(nèi)含水構(gòu)造體(5 m×40 m×40 m)的體積，為8 000 m3。

對(duì)照表1，可以對(duì)任一里程的地下水滲漏水狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)預(yù)測。對(duì)整體探測段的地下水滲漏水狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測時(shí)，對(duì)全段進(jìn)行分段預(yù)測，每5 m一段，計(jì)算出各段的地下水滲漏水狀態(tài)參數(shù)值K，用3次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，然后對(duì)照表1判斷即可。

3 工程實(shí)例

在該隧道掌子面里程D1K47+723附近開始D1K47+743～D1K47+823段探水試驗(yàn)，依照1.2節(jié)和1.3節(jié)所述的試驗(yàn)步驟與方法，則可以得到瞬變電磁儀探測到的視電阻率二維平面圖，見圖4。

圖4 瞬變電磁探測結(jié)果

依據(jù)該隧道D1K47+743～D1K47+823段探測到的視電阻率二維數(shù)據(jù)，構(gòu)建80 m×40 m×40 m(長×寬×高)尺寸的含水體模型，如圖5。在此含水體模型長度方向(Y軸)上，20～100 m與里程D1K47+743～D1K47+823一一對(duì)應(yīng)。

圖5 隧道D1K47+743～D1K47+823段三維含水體模型

根據(jù)提出的隧道滲漏水狀態(tài)預(yù)測方法，可以得到D1K47+743～D1K47+823段的滲漏水狀態(tài)參數(shù)值K，具體如表2，滲漏水狀態(tài)參數(shù)K的曲線擬合如圖6。

表2 隧道D1K47+743～D1K47+823段地下水滲漏水狀態(tài)預(yù)測值

圖6 K值曲線擬合

根據(jù)滲漏水狀態(tài)參數(shù)K值的曲線擬合公式，可以得到以下預(yù)測：

1)里程D1K47+743～D1K47+746段，K值范圍為2.0～2.4，則地下水滲漏水狀態(tài)為滴滲水。

2)里程D1K47+746～D1K47+776段，K值范圍為1.4～2.0，則地下水滲漏水狀態(tài)為線狀水；里程D1K47+759附近K取1.4(最小值)，該處地下水較發(fā)育，需提前做好探孔泄水工作。

3)里程D1K47+776～D1K47+800段，K值范圍為2.0～4.0，則地下水滲漏水狀態(tài)為滴滲水。

4)里程D1K47+800～D1K47+823段，K值范圍為4.0～5.3，則地下水滲漏水狀態(tài)為濕潤。

根據(jù)預(yù)測結(jié)論，現(xiàn)場陸續(xù)在里程D1K47+742.5附近進(jìn)行30 m超前鉆孔進(jìn)行泄水，在D1K47+767.1附近進(jìn)行試驗(yàn)性超前鉆孔，搭接長度5 m，具體見圖7。

圖7 施做超前探孔

現(xiàn)場鉆孔報(bào)告顯示：

1)超前泄水孔：鉆至D1K47+747附近，孔中水流量顯著增加，至D1K47+772.5終點(diǎn)，水流量持續(xù)增多，終孔水流量0.1 L/S。

由此可見，不良含水體范圍從里程D1K47+747開始，包括鉆進(jìn)終點(diǎn)里程D1K47+772.5。

2)超前試驗(yàn)孔：里程D1K47+767～D1K47+777段孔中水量增加不顯著，D1K47+777～D1K47+794段孔中水量無明顯變化，終孔水量為0.02 L/S。

由此可見，不良含水體到里程D1K47+777截止，D1K47+777～D1K47+794段探孔中基本無水。

現(xiàn)場開挖揭示了：

1)里程D1K47+743～D1K47+746段，掌子面拱頂與右側(cè)滴滲水，與預(yù)測結(jié)論相符。

2)里程D1K47+747～D1K47+777段，經(jīng)過超前鉆孔泄水，掌子面滲漏水狀態(tài)同樣為滴滲水，與預(yù)測結(jié)論基本相符。

3)里程D1K47+777～D1K47+800段，掌子面拱頂及右拱腳處滴滲水，且D1K47+777～D1K47+794段探孔中基本無水。與預(yù)測結(jié)論相符。

4)里程D1K47+800～D1K47+823段，掌子面處于整體濕潤狀態(tài)，D1K47+819.1～D1K47+835.1段掌子面局部滴滲水，可見瞬變電磁偶極裝置在探測距離末端出現(xiàn)了精度下降狀況，與預(yù)測結(jié)論基本相符。

經(jīng)過玉磨鐵路施工現(xiàn)場的多次驗(yàn)證，特別是無超前鉆探段的開挖揭示驗(yàn)證，此種方法的準(zhǔn)確率高達(dá)75.2%，可以滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的要求。

4 結(jié) 語

基于玉磨鐵路新平隧道瞬變電磁探水試驗(yàn)，筆者提出了一種隧道滲漏水狀態(tài)預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道滲漏水狀態(tài)的定量預(yù)測，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測隧道某一里程的滲漏水狀態(tài)，能精確指導(dǎo)現(xiàn)場超前探孔泄水作業(yè)，能滿足該高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需要，有效預(yù)防股狀地下水引發(fā)涌突災(zāi)害。此方法具有一定的推廣價(jià)值，但是考慮到視電阻率的區(qū)域特性，在其他工程應(yīng)用時(shí)需要對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的瞬變電磁試驗(yàn)及開挖揭示的地下水滲漏水狀態(tài)進(jìn)行歸納總結(jié)，調(diào)整視電阻率范圍與地下水滲漏水狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系。