瞬變電磁儀在隧道斷層賦水探測中的應用研究

安邦超

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

瞬變電磁法(transient electromagnetic method,TEM)屬時間域電磁感應方法[1]。其工作方法是利用不接地回線向地下發送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場(按指數規律衰減)。按不同的延遲時間測量二次感應電動勢U(t)，就得到了二次場隨時間衰減的特性曲線，用發射電流歸一化后成為U(t)/I特性曲線。二次場的大小與地下地質體的電性有關：低阻地質體的感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大；高阻地質體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據二次場衰減的特征，可以判斷地下地質體的電性、性質、規模和產狀等，從而可以解決如斷層、溶洞等地質問題[2-5]。

1 工程概況

貴州省六(六盤水)威(威寧)線第LWTJ7土建標段玉舍隧道洞身中部里程樁號 TZK18+020(TYK18+038)處發育區域性平移斷層 F，隧道兩盤地層均為侏羅系中下統砂泥巖地層，斷層破碎帶寬約40 m、影響帶寬約200 m(TZK18+100-TZK18+075，長 210.336 m，TYK18+150-TYK18+096，長199.012 m，中間有斷鏈)；因受構造擠壓，巖體極破碎至破碎、泥質膠結、透水性強。為初步探明F斷層破碎帶、影響帶巖體賦水情況，決定對F斷層隧道通過段進行地表瞬變電磁法物探。

玉舍隧道F斷層隧道通過段縱穿兩高山鞍部相接地帶，屬剝蝕中山地貌單元；隧道左右幅洞軸線通過段地形起伏較大，山間常流水溪溝發育，喬木、灌木茂密及荊棘叢生，物探測線布設困難；TYK18+170-TYK18+027段右側 20～100 m范圍內耕植地相連成片、地形平緩，殘坡積土層厚、基巖局部裸露，該處物探場地規整、條件良好。

圖1 地表瞬變電磁法物探段定位圖

2 測線布置

結合現場地貌地形條件、隧道洞軸線走向及斷層位置等情況，于玉舍隧道右幅TYK18+170-TYK18+027段右側 20～100 m范圍布置物探測線，測線編號為1-1′，由小樁號向大樁號方向探測長度約110 m；本次探測采用由澳大利亞制造的terraTEM進行地表物探，采用中心回線裝置采集數據，點距10 m，發射天線為邊長45 m×45 m 的自制單匝回線，接收回線面積約1 000 m2，發射周期為40 ms，發射電流10 A，疊加次數32；探測最大深度約150 m，見圖2～圖5。

圖2 terraTEM瞬變電磁儀主機照

圖3 terraTEM瞬變電磁儀接受器照

圖4 terraTEM瞬變電磁儀回線布設照

圖5 terraTEM瞬變電磁儀現場采集照

3 數據處理及分析

電磁法數據經微機配套軟件除噪、處理及成圖后，具體生成1-1′測線視電阻率反演色度圖與1-1′視電阻率等值線圖，見圖6、圖7。對于瞬變電磁法成果圖7中TYK18+190-TYK18+250段0～150 m深度范圍內低阻異常帶，結合地表地形及地表水情況、地層結構、地下水發育情況、F 斷層位置及性質等因素綜合分析，推測1區為含水型斷層破碎帶、斷層影響帶，斷層破碎帶富水，且斷層破碎帶內圍巖完整程度伴隨深度加深變差、水體含量遞增；結合玉舍隧道設計說明，區域性平移斷層F隧道通過段兩盤地層均為侏羅系中下統(J1+2)砂泥巖地層，斷層破碎帶寬約40 m、影響帶寬約200 m(TZK18+100-TZK18+075，長210.336 m，TYK18+150-TYK18+096，長199.012 m，中間有斷鏈)；2區斷層破碎帶構造擠壓作用強烈，巖體極破碎至破碎、泥質膠結、透水性強，推測可能出現規模性涌水段主要為斷層破碎帶，建議加強支護措施。

圖6 1-1′測線視電阻率反演色度圖

圖7 1-1′測線視電阻率等值線圖

4 瞬變電磁儀探測結果應用

4.1 與隧道開挖揭示地層對比

當隧道施工至TYK18+000段時進入斷層影響范圍，隧道開挖揭示隧道斷層影響段的地質情況為：圍巖為中風化層及強風化泥巖，局部夾砂巖，本段巖體風化強烈，節理裂隙發育，巖體破碎，呈碎裂結構，薄至中厚層塊狀構造，有覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水，雨季呈淋雨狀出水，隧道開挖無支護時受震動后易產生塌方冒頂，且由于下伏基巖為軟質巖，抗風化能力弱。

隧道開挖揭示地層與瞬變電磁儀探測結果基本一致，顯示出瞬變電磁儀探測在隧道斷層賦水情況時的準確性。

4.2 在隧道支護設計中的應用

TYK18+170-TYK18+027段原設計采用S-Vc支護。具體參數為：超前支護為直徑42 mm、壁厚4 mm超前小導管，長4.0 m，間距40 cm×240 cm(環向×縱向)，每循環33根，初期支護采用I18型鋼拱架(間距80 cm)，直徑6.5 mm鋼筋網(間距20 cm×20 cm)，24 cm厚C20噴射混凝土，直徑25 mm中空注漿錨桿(長3.5 m，間距為80 cm×120 cm)，二次襯砌為45 cm厚C30素混凝土，隧道采用預留核心土法開挖。

在經過瞬變電磁儀探測后，將設計進行加強并采取了相應的排水措施，變更后的設計為：按S-Ta襯砌施工，具體參數為：超前支護為直徑108 mm、壁厚6 mm大管棚，長15.0 m，間距40 cm×150 cm(環向×縱向)，每循環40根，初期支護采用I20型鋼拱架(距50 cm)，直徑6.5 mm鋼筋網(間距20 cm×20 cm，雙層)，28 cm厚C20噴射混凝土，拱頂斜向鋼花管直徑42 mm、壁厚4 mm(長4.5 m，環向×縱向間距為50 cm×50 cm。排水加密，環向排水管采用直徑200 mm半圓排水管，1組/3 m，1組3根，排入初支擴挖檢查井，再采用橫向導水管直徑200 mm雙壁打孔波紋管，1組/3 m，1組3根排入中心排水溝。

5 結語

本文以六威高速玉舍隧道為依托，開展了瞬變電磁儀在隧道斷層賦水地帶的探測試驗及其成果應用研究并得到如下結論。

1) 斷層破碎帶構造擠壓作用強烈，巖體極破碎至破碎、泥質膠結、透水性強，推測可能出現規模性涌水段主要為斷層破碎帶，建議加強支護措施。

2) 通過與隧道開挖揭示地層對比可知隧道開挖揭示地層與瞬變電磁儀探測結果基本一致，顯示出瞬變電磁儀探測在深埋隧道斷層賦水情況時的準確性。

瞬變電磁儀在隧道斷層賦水地帶的探測試驗，為隧道斷層影響段的支護設計變更提供了時間，減小了在隧道施工過程中發生災害事故的風險，也體現了瞬變電磁儀在深埋隧道賦水斷層物探的優越性。