电磁波CT技术在隧道基底岩溶勘探中的应用

刘 俊，彭佳斌

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430050）

1 概述

随着我国“一带一路”的实施，更多的公路、铁路隧道在西部岩溶地区修建。岩溶地区的工程地质和水文地质极其复杂，修建隧道极易发生塌方、涌水涌泥的地质灾害，在修建过程中有必要对岩溶地层进行地质勘探与超前地质预报。当前关于岩溶区隧道地质勘探的方法主要为钻探与物探，其中钻探法只能对溶洞进行局部的探测，不能对溶洞的大小、形态及填充情况进行整体的反映，地质雷达、孔间电磁波CT技术、高密度电法等物探方法正好弥补此方面不足[1]。由于岩溶地质的复杂性，并非所有物探手段都适用，如地质雷达受天线中心频率的影响较大，不适用于被浅层破碎带覆盖的深层不良地质的探测等[2，3]。电磁波CT技术作为近些年发展起来的地球物理探测技术，因其分辨率精度高、直观等优势，已在堤坝[4，5]、采空区[6-8]等工程中得到了较好的运用，但在岩溶勘察中的运用中因不同的观测系统在层析图像质量上不一样，且不同的成像方法、重建算法，成像结果差异较大[9-11]。开挖过程中仰拱处揭示出溶洞

余庆至安龙高速公路董当隧道左线仰拱开挖至ZK65+965时，隧道基底揭示出溶洞，如图1所示。为进一步确定隧道基底岩溶的范围及形态，利用电磁波CT技术对附近隧道基底进行了勘探，并结合取芯结果验证，较为准确的推断了孔间岩溶发育带的分布，进一步证实了电磁波CT技术在岩溶隧道勘探中的具有的独特优势。

图1 隧道基底揭示溶洞

2 电磁波CT技术的基本原理

电磁波CT技术是通过在两个钻孔中接收和发射无线电波，来确定地质情况的地下物理测试方法。其源于麦克斯韦方程，是在电磁波几何射线理论基础上形成的勘探方法，电磁波场强变化公式[12]为

其中，E为接收点出场强值，单位为V/m；E0为发射点处初始发射常数；β为吸收系数，反映出电磁波的衰减程度，单位为dB/m；f(θ)为sinθ发射和接收天线的方向因子函数；r为发射点与接收点之间的距离，单位为m。

分析公式（1）得出，电磁波在不同地质中传播时，因不同地质对电磁波的吸收值不一样，可通过观测数据的变化进行地质的推断。通常情况下，岩溶、破碎带等地层的吸收系数要高于其他围岩，因此得出岩溶、地层的场强值相对较小，最终呈现出负异常，通过此差异来推断地层岩溶的发育情况。

3 数据采集

3.1 仪器设备介绍

本次探测采用的仪器为湖南岳阳奥成科技生产的HX-JDT-02B型地下电磁波仪，仪器扫频范围：0.1～32MHz；扫频间隔：0.1～9.9MHz；发射机输出脉冲功率：10W； 接收机测量范围：0.17μV～>56mV；接收机测量误差：-120dB～-30dB<±3dB；钻孔仪器密封性能≥150大气压（≥1000m井深）；电源：充电电池连续工作8h；钻孔仪工作温度：5～45℃；面板工作温度：0～45℃；天线：分段宽频带地下天线。

3.2 探测系统概述

本次探测针对现场布设的8个钻探孔，共完成CT探测剖面14对，布孔图如图2所示。为了既能满足透射距离又能保证接收质量，本次勘探选择的电磁波工作频率为20～28MHz，频率间隔为4MHz，发射点的密度与接收采样密度相同，都为1m。发射机每隔1m固定发射，接收机自下而上相应每隔1m间距采样便可以得到对应于某一发射点的一组观测数据。然后改变发射源的深度，即往地表方向上移1m，重复下一个扇形排列接收。如此过程，直至发射源到达最小发射深度为止，探测系统示意图如图3所示。

图2 钻探孔布孔图

图3 探测系统示意图

4 数据处理分析

4.1 处理流程

电磁波CT技术成像资料数据处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程图

4.2 数据处理关键步骤

4.2.1 正演模型的建立

首先通过相关勘察设计图对现场探测剖面图的几何、物理条件进行梳理；再进行剖面内介质的物理参数估算，一般高吸收的异常客体被低吸收的围岩介质包裹，物理参数用吸收系数表示，单位为dB/m；在以上基础上，进行异常客体和围岩介质分布形态和状态的估算，并进行剖面测量曲线的计算[10]；最后进行反演计算，并对正演模型参数以及异常客体、围岩介质形态大小的修正。

4.2.2 反演计算

为提高正演解释的精确性，必须对正演结果进行反演计算。当前应用较为广泛的反演计算方式有联合迭代法（SIRT）、代数重建法（ART）、反射投影法（BPT）、最大嫡法（WEIR），可根据现场实际情况择优选择，本工程采用精度较高的联合迭代法。

4.3 研究区域地质物理参数估算

根据钻探揭露，探测区地层主要为二叠系上统（P2）灰岩，节理裂隙发育。灰岩中岩溶发育垂向型为主，存在部分水平干溶洞，被粘土夹碎石充填。岩溶发育的灰岩与完整的灰岩比较，在物性上存在较大差异。岩溶发育的灰岩对电磁场产生明显的吸收作用，观测的电磁场强幅度明显变小，吸收系数变大。通过对本区域探测分析，完整灰岩的吸收系数较小，一般不超过0.2dB/m，岩溶发育区吸收系数大多数大于0.2dB/m。

5 电磁波CT探测剖面分析

因篇幅有限，本文选取03#～05#剖面、04#～06#剖面、07#～05#剖面进行分析，其钻孔间电磁波吸收系数分布特征与推断地质图如图6～图11所示，现场取芯照片如图5所示。

图5 现场钻孔取芯施工图

03#～05#钻孔间电磁波吸收系数分布特征与推断地质图见图 6、7，03＃里程为 ZX65+940.00左8.38m，实测深度为26m，05#里程为ZK65+960.00左 8.38m，实测深度为 45m，孔间距 20.00m，03＃孔发射，05＃孔接收，采用定发采集方式，移动步距lm。该剖面基岩为灰岩，根据吸收系数等值线分析，吸收系数范围在0.02～0.54dB/m，其中在0.00～7.00m高程702～716m，吸收系数相对较高，大于0.20dB/m，推断为岩溶裂隙发育区。在10.00～20.00m高程710～730m，吸收系数相对较高，结合钻孔资料分析为回填碎石土。

04#～06#钻孔间电磁波吸收系数分布特征与推断地质图见图 8、9，04#里程为 ZK+950.00左0.38m，实测深度为15m，06#里程为ZK65+968.00左 1.88m，实测深度为 38m，孔间距 19.60m，04＃孔发射，06#孔接收，采用定发采集方式，移动步距lm。该剖面基岩为灰岩，根据吸收系数等值线分析，吸收系数范围在0.06～0.50dB/m，其中在0.00～12.00m高程715～728m，吸收系数相对较高，大于0.20dB/m，推断为岩溶裂隙发育区。在剖面靠近6#孔一侧，高程700～733m，吸收系数相对较高，结合钻孔资料分析为回填碎石土。

07#～05#钻孔间电磁波吸收系数分布特征与推断地质图见图 10、11，07#里程为 265+980.00左8.3m，实测深度为11m，05#里程为ZK65+960.00左8.38m，实测深度为45m。孔间距20.00m，07#孔发射，05#孔接收，采用定发采集方式，移动步距lm。该剖面基岩为灰岩，根据吸收系数等值线分析，吸收系数范围在0.06～0.44dB/m，其中在剖面下部，高程700～707m，吸收系数相对较高，大于0.20dB/m，推断为岩溶裂隙发育区。在剖面上部，高程710～725m，吸收系数杂乱无规律，结合钻孔资料分析为回填碎石土。

图6 03#～05#钻孔间电磁波吸收系数分布特征

图7 03#～05#钻孔间的推断地质图

图8 04#～06#钻孔间电磁波吸收系数分布特征

图7 04#～06#钻孔间的推断地质图

图10 07#～05#钻孔间电磁波吸收系数分布特征

图11 07#～05#钻孔间的推断地质图

6 结论

1）董当隧道隧底探测区内的中风化灰岩、回填碎石土与岩溶吸收系数差异明显，回填碎石土表现为杂乱无规律，时高时低；裂隙发育区岩溶对电磁波的表现较中风化灰岩强，吸收系数一般大于0.2dB/m。

2）为提高反演解释的准确性，在探测前应结合已有的地勘资料进行电磁波CT电性测试，以便对所勘探地层电性特征更准确地判断；

3）影响吸收系数的干扰因素很多，勘探出来的吸收系数应结合实际取芯结果进行分析。

4）电磁波吸收系数特征分布图能直观显示两个勘探孔间溶洞的延伸状况，并能通过钻孔资料进行佐证，说明电磁波CT技术在隧道底部勘探中的有效应用。