GEM3D電磁勘探系統(tǒng)在隧道施工中水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

楊榮雙 劉 巍 張寒韜

1.云南鶴劍蘭高速公路投資開發(fā)有限公司 云南 劍川 671300

2.云南航天工程物探檢測股份有限公司 云南 昆明 650217

1 概述

近年來，西部交通基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)正如火如荼的進(jìn)行，由于西部山區(qū)地形起伏大，隧道工程具有埋長深、距離長、地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)越來越大，突水涌泥災(zāi)害頻發(fā)。大寨隧道[1]、舊州隧道[2]、圓梁山隧道[3]、崗烏隧道[4]、宜萬鐵路野三關(guān)隧道[5]等都發(fā)生了突水涌泥地質(zhì)災(zāi)害。

用于隧道施工中水文地質(zhì)勘察的地球物理方法常有高密度電阻率法[6]、電磁類法[7]、地質(zhì)雷達(dá)法[8]等。高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法探測深度淺，對(duì)于西部山區(qū)深埋隧道水文地質(zhì)勘察卻束手無策。用于深埋隧道水文地質(zhì)勘察的主要方法是電磁法，配套設(shè)備包含System2000 V8、GDP32、EH4等，已廣泛應(yīng)用于隧道工程地質(zhì)勘察，西南交通大學(xué)許偉使用V8勘探儀開展了CSAMT在深埋長隧道勘察中的研究與應(yīng)用[9]，王燦為等應(yīng)用GDP32開展了大地電磁法與地質(zhì)鉆孔法在鐵路隧道勘察中的對(duì)比分析工作[10]，孫英勛[11]應(yīng)用EH4對(duì)公路隧道進(jìn)行了勘察應(yīng)用研究工作。但該類老舊設(shè)備應(yīng)用效率低，難以滿足隧道工程建設(shè)對(duì)水文地質(zhì)勘察結(jié)果及時(shí)性的需要。本文應(yīng)用勘探深度深且工作效率高的新型Geode EM3D電磁勘探系統(tǒng)開展隧道施工中水文地質(zhì)勘察工作，探索該系統(tǒng)在深埋隧道施工中水文地質(zhì)勘察的可行性與時(shí)效性。

2 GEM3D電磁勘探系統(tǒng)技術(shù)方法原理及數(shù)據(jù)反演

2.1 GEM3D技術(shù)方法原理介紹

Geode EM3D是分布式網(wǎng)絡(luò)化電磁勘探系統(tǒng)，每臺(tái)接收機(jī)都有六個(gè)通道，可以配置為3個(gè)磁道，或6個(gè)電道，作業(yè)效率比System2000 V8、GDP32、EH4等設(shè)備都高，野外布置如圖1所示。

圖1 GEM3D電磁勘探系統(tǒng)工作布置示意圖

本次研究工作采用的是音頻大地電磁方法（AMT），基于大地電磁測深法原理，通過在地表進(jìn)行電磁信號(hào)的采集，觀測地下不同地質(zhì)體電阻率分布規(guī)律，解譯電阻率與地質(zhì)體的關(guān)系。音頻大地電磁法假設(shè)場源為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向?yàn)榫鶆虻模瑧?yīng)用電磁勘探系統(tǒng)在地表觀測測區(qū)Ex、Hy或Ey、Hx的變化，當(dāng)天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，地面電磁場的觀測值會(huì)包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。而由于不同頻率的電磁場信號(hào)具有不同穿透深度，因此大地電磁法通過研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息。

2.2 數(shù)據(jù)反演

對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)通過采集軟件GeodeEM.exe刪除受干擾的數(shù)據(jù)，通過軟件MtPro.exe將電道和磁道的時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成深度—視電阻率、數(shù)據(jù)文件。采用非線性共軛梯度法（NLCG）進(jìn)行二維反演[12]，該方法假定離散化的地電模型向量為，觀測的數(shù)據(jù)向量是，誤差向量，則反演的反函數(shù)表示為：，式中F為正演模擬算子，F(xiàn)(m)采用的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法獲得。在正則化基礎(chǔ)上構(gòu)建反演目標(biāo)函數(shù)，處理目標(biāo)函數(shù)最小化問題，得到目標(biāo)方程：

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

項(xiàng)目選取云南省鶴慶到劍川到蘭坪高速公路鶴劍1號(hào)隧道為應(yīng)用研究依托工程，隧道工程為分離式隧道，左、右兩幅測中線距離約26～35m；左幅ZK1+730～ZK12+713，全長10983m，最大埋深約1073m；右幅K1+684～K12+720，全長11036m，最大埋深約1070m。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷層為主，地層總體為北西傾向的單斜構(gòu)造，據(jù)資料，鶴慶～洱源中、強(qiáng)活動(dòng)大斷裂帶。隧道沿線出露的地層有：第四系全新統(tǒng)(Qh)、下第三系(E)、三疊系(T)、二疊系(Pβ3)，地層風(fēng)化程度高，巖性破碎，富水性強(qiáng)。

3.2 電磁測深工作點(diǎn)線布設(shè)

本次工作測線布設(shè)在鶴劍1號(hào)隧道左幅Z K 1+9 6 0～ZK12+600段和右幅K1+900～K12+600段中軸線上，共2條測線，點(diǎn)距20m，左幅測線長10640m，點(diǎn)數(shù)532，右幅測線長10700m，點(diǎn)數(shù)535。

3.3 成果解釋

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行NLCG二維反演，對(duì)反演結(jié)果數(shù)據(jù)通過Surfer軟件制成電阻率剖面圖，如圖2所示。

圖2 鶴劍1號(hào)隧道電磁勘探成果圖

圖中紅色與黃色區(qū)域?yàn)殡娮杪氏鄬?duì)高阻區(qū)，代表巖體完整性好，富水性差；綠色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)電阻率低阻區(qū)，代表巖體破碎，富水性好。

綜合地質(zhì)物探成果分析，推測左幅ZK1+960～ZK12+600段、右幅K1+900～K12+600段，發(fā)育Ⅰ級(jí)區(qū)域性大斷裂4條（FⅠ-1～FⅠ-4）、Ⅱ級(jí)次級(jí)斷裂6條（FⅡ-1～FⅡ-6），Ⅲ級(jí)小型斷裂構(gòu)造7條（FⅢ-1～FⅢ-7），總計(jì)17條。

隧址區(qū)巖溶中等～強(qiáng)發(fā)育，在地表和深部均有一定的巖溶表現(xiàn)形式。地表巖溶以洼地、溶洞、落水洞、溶溝、溶隙、溶孔、少量石芽等形式出現(xiàn)。結(jié)合物探成果解譯出隧道左幅ZK1+960～ZK12+600段嚴(yán)重不良地質(zhì)段14處、較嚴(yán)重不良地質(zhì)段11處；隧道右幅K1+900～K12+960段嚴(yán)重不良地質(zhì)段13處、較嚴(yán)重不良地質(zhì)段12處。

4 結(jié)束語

通過GEM3D電磁勘探系統(tǒng)在鶴慶至劍川至蘭坪高速公路鶴劍1號(hào)隧道中水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際觀測已開挖隧道的含水情況，證實(shí)GEM3D電磁勘探系統(tǒng)滿足隧道施工中水文地質(zhì)勘察的各項(xiàng)條件，且效果良好，作業(yè)效率高，是隧道工程水文地質(zhì)勘察的一種有效的物探手段，值得推廣應(yīng)用。