綜合物探在隧道突涌區繞行方案選取中的應用

曹 強

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

為加快西部經濟建設，我國正在進行一輪鐵路建設熱潮，西部地區地形高低起伏、高山峽谷分布廣泛。鐵路建設過程中，常常需要修建長大隧道來克服地形影響。據統計，截至2015年年底，我國運營鐵路(含高鐵和普鐵)中長度大于3 km的長、特長隧道有304座，總長1 802 km，正在建設的鐵路中長度大于3 km的長、特長隧道有280座，總長度2 016 km[1]。目前，在建鐵路線有鄭萬高鐵、成昆復線、貴南高鐵、玉磨鐵路、大瑞鐵路、渝昆高鐵、川藏鐵路等，這些線路地質條件極為復雜，隧道所占的比重大，隧道修建的難度也很大[2]。隧道建設過程中，巖溶及巖溶水危害十分突出，經常遇到突水涌泥涌砂、巖爆、瓦斯等地質災害，其中突水涌泥涌砂尤為嚴重。例如在建的成昆復線、玉磨鐵路、貴南高鐵均發生過不同規模的突涌，造成一定的財產損失，對建設工期也有一定影響。當隧道發生突涌之后，采取正面直接處理一般很困難，并且需要時間長。為了保證工期，節約成本，多數情況下會選擇繞行措施，開辟新的工作面[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尤為關鍵，本文結合新建成昆復線工程實例，采用地表物探與洞內物探相結合的綜合物探技術，通過地表施作音頻大地電磁法宏觀探測突涌區范圍，為線路選擇提供依據；同時通過隧道內邊墻施作瞬變電磁法探測邊墻后方圍巖含水情況，為繞行切入點提供依據。綜合物探資料有效地指導了繞行方案的選取，成功避開了突涌區。

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，為天然場源，其根據地下圍巖與探測目標體的電導率和磁導率的物性差異，通過研究電場、磁場的衰減規律，實現對地下地質體探測的一種物探方法[6]。在均勻各向同性層狀介質條件下，大地電磁場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分量為Ex，Ey，Hx，Hy，經過計算可知測點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為電阻率；ω為角頻率；μ為大地磁導率；Ex，Hy分別為電場強度、磁場強度。

穿透深度：

(2)

其中，δ為穿透深度；f為電磁場頻率。

音頻大地電磁法與傳統的直流電法相比，具有受地形影響小、探測深度大、能穿透高阻層、野外采集方便等優點。根據其優點，音頻大地電磁法在埋深大、地表地形起伏、地質構造復雜的長大隧道勘察中具有廣泛的應用[7-9]。

1.2 瞬變電磁法(TEM)

TEM屬于時間域電磁法，是以地下目標體與圍巖電導率差異為基礎，根據電磁感應原理來研究電磁場時間和空間分布規律，以探測良導目標體的一種物探方法[10]。其探測原理是：通過發射機向發射回線上提供電流脈沖方波，在斷電瞬間產生垂直于發射線圈的感應磁場，稱為一次磁場，一次磁場向地下傳播。地下目標體在一次磁場的激勵下，產生渦旋電流，產生渦流的大小與地下目標體電導率正相關。一次磁場消失后，渦旋電流產生的二次磁場不會立刻消失，而是隨時間衰減。通過采集線圈或磁棒可對二次磁場進行觀測，分析二次磁場在不同時間點的衰減變化，實現地下目標體電阻率分布情況的探測。

均勻全空間介質中水平圓形回線發射框中心的感應電動勢為:

(3)

其中，I0為供電電流強度；t為觀測時間；u為大地磁導率；S為接收線圈的等效面積；r0為發射線圈半徑。

同時，

(4)

(5)

其中，S0為發射線圈的面積。

由于瞬變電磁法對良導體具有較好的探測效果，近年來，鐵路隧道建設過程中，將瞬變電磁法作為一種有效的探索手段引進到隧道超前地質預報中，并取得不錯的探測效果[12-16]。

2 工程實例

在建成昆鐵路復線某極高風險隧道全長11 120 m，設有一個平導，兩個橫洞，其中2號橫洞全長1 067 m。隧址區地形為高山峽谷區，山高坡陡，溝谷下切強烈，大涼山斷裂的分支普雄—尼日河活動斷裂沿尼日河分布。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—尼日河活動性逆斷層與2號橫洞相交，夾角為87°，為東傾斜走向活動性逆斷層，該斷層位于震旦系上統燈影組、三疊系上統白果灣組灰白色白云巖、灰色泥巖、粉砂巖地層中，走向長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號橫洞施工至里程H2DK0+225時，隧道埋深約為600 m，發生了突水突砂，突砂方量約10 000 m3。該段地層為震旦系上統燈影組白云巖，地層古老，在普雄—尼日河活動性斷裂影響下，巖體破碎。由于地下水長期的溶蝕作用，形成砂化白云巖，并產生一種飽含水的“砂包石狀”結構。隧道開挖后，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”結構產生潰決，發生突涌。突水突砂發生之后，由于涌砂量大，掌子面后上方出現大的空腔，圍巖極破碎。如果正面掘進通過，工程措施難度大、安全風險高、時間久，為保證施工安全和施工進度，決定繞行。

3 測線的布置

3.1 AMT測線布置

在該隧道2號橫洞H2DK0+150，H2DK0+200，H2DK0+250地表垂直于2號橫洞中線方向分別布置AMT橫測線三條，編號分別為：WT-1，WT-2及WT-3(見圖1)，測點點距20 m。本次工作采用MTU-5A大地電磁儀采集數據，共完成48個電磁測深點和3個檢查點。

3.2 TEM測線布置

在2號橫洞洞內H2DK0+340～H2DK0+280段垂直于左邊墻和右邊墻分別布置1條瞬變電磁測線(見圖2)，每條測線點距2 m，通過移動發射接收線圈，形成2條實測剖面。本次工作采用YCS2000A型礦用瞬變電磁儀進行數據采集，選取中心回線裝置，邊長2 m的激發正方形線圈，激發線圈匝數10匝，接收探頭等效面積450 m2。供電電流為4.5 A，采樣時間100 ms，采樣率250 kHz。為保證原始數據的可靠性，提高信噪比，每個測點疊加次數不少于100次。

4 資料解譯及繞行方案的選取

4.1 AMT探測成果

通過二維反演，獲取了三條測線反演電阻率剖面(見圖3～圖5)。

縱觀各測線的反演電阻率斷面圖，總體特征表現為電阻率以中高阻為背景、橫向上高低阻相間，其中2號橫洞中線右側區域整體電阻率相對左側較高。在各測線的中部隧道位置均出現一低阻異常，已開挖的2號橫洞H2DK0+250位置，部分地下水已通過2號橫洞排泄，其洞身位置也呈現相對低阻。通過上述分析，推測巖溶發育區及地下水運移通道為相對低阻特征，相對高阻區域巖溶和地下水相對弱發育。

4.2 TEM探測成果

通過數據預處理(電感校正、曲線偏移、小波變換)，計算晚期視電阻率，最后進行時深轉換，獲得左、右邊墻前方視電阻率剖面(見圖6)。

對比左右邊墻瞬變電磁法視電阻率成果圖分析，在測線范圍內左邊墻前方視電阻率值整體比右邊墻前方低，推測左邊墻前方圍巖巖體更破碎、含水量更大；根據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兩側較高，推測該范圍內右邊墻前方圍巖巖體較兩側稍好，含水量較少。根據洞內TEM視電阻率剖面成果圖，建議從線路右側繞行，且繞行切入點選擇在H2DK0+290附近。

4.3 繞行線路的選取

2號橫洞隧底平均標高為1 468.7 m，將該標高處的AMT電阻率投影到平面圖上，并根據電阻率高低圈定“富水或巖溶強烈發育體”“含水或巖溶中等發育體”以及“巖溶弱發育體”，見圖7。整體上2號橫洞線路右側存在大片的“巖溶弱發育體”，巖溶相對弱發育，這與洞內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號橫洞線路右側的“巖溶弱發育體”區繞行，并且繞行切入點選擇在H2DK0+290，如圖7所示。目前，繞行的2號橫洞已經成功掘進至線路正洞，期間再未發生過突涌。

5 結語

本文通過工程實例，取得以下結論：1)音頻大地電磁法勘探深度大、受地形影響小，對于深埋隧道能有效探測隧址區地下水或巖溶體發育情況，能宏觀指導繞行線路的選取。2)礦用瞬變電磁儀配置小線圈，能對隧洞內邊墻兩側區域相對含水情況進行有效探測，對繞行線路切入點的選取具有指導意義。3)對于需要繞行的隧洞，利用地表與洞內物探相結合的綜合方法，能快速、有效的選取繞行方案和繞行切入點，對安全施工和保證工期具有積極作用。