综合物探在隧道突涌区绕行方案选取中的应用

曹 强

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

为加快西部经济建设，我国正在进行一轮铁路建设热潮，西部地区地形高低起伏、高山峡谷分布广泛。铁路建设过程中，常常需要修建长大隧道来克服地形影响。据统计，截至2015年年底，我国运营铁路(含高铁和普铁)中长度大于3 km的长、特长隧道有304座，总长1 802 km，正在建设的铁路中长度大于3 km的长、特长隧道有280座，总长度2 016 km[1]。目前，在建铁路线有郑万高铁、成昆复线、贵南高铁、玉磨铁路、大瑞铁路、渝昆高铁、川藏铁路等，这些线路地质条件极为复杂，隧道所占的比重大，隧道修建的难度也很大[2]。隧道建设过程中，岩溶及岩溶水危害十分突出，经常遇到突水涌泥涌砂、岩爆、瓦斯等地质灾害，其中突水涌泥涌砂尤为严重。例如在建的成昆复线、玉磨铁路、贵南高铁均发生过不同规模的突涌，造成一定的财产损失，对建设工期也有一定影响。当隧道发生突涌之后，采取正面直接处理一般很困难，并且需要时间长。为了保证工期，节约成本，多数情况下会选择绕行措施，开辟新的工作面[3-5]。如何确保绕行线路的施工安全，绕行线路的选择和绕行切入点尤为关键，本文结合新建成昆复线工程实例，采用地表物探与洞内物探相结合的综合物探技术，通过地表施作音频大地电磁法宏观探测突涌区范围，为线路选择提供依据；同时通过隧道内边墙施作瞬变电磁法探测边墙后方围岩含水情况，为绕行切入点提供依据。综合物探资料有效地指导了绕行方案的选取，成功避开了突涌区。

1 音频大地电磁法、瞬变电磁法基本原理

1.1 音频大地电磁法(AMT)

AMT属于频率域电磁法，为天然场源，其根据地下围岩与探测目标体的电导率和磁导率的物性差异，通过研究电场、磁场的衰减规律，实现对地下地质体探测的一种物探方法[6]。在均匀各向同性层状介质条件下，大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波，不同频率的电磁波具有不同的穿透深度，频率越低，探测深度越深。在地表用电极和磁棒可采集到相互正交的电磁场分量为Ex，Ey，Hx，Hy，经过计算可知测点处的卡尼亚视电阻率和穿透深度。

卡尼亚视电阻率：

(1)

其中，ρa为电阻率；ω为角频率；μ为大地磁导率；Ex，Hy分别为电场强度、磁场强度。

穿透深度：

(2)

其中，δ为穿透深度；f为电磁场频率。

音频大地电磁法与传统的直流电法相比，具有受地形影响小、探测深度大、能穿透高阻层、野外采集方便等优点。根据其优点，音频大地电磁法在埋深大、地表地形起伏、地质构造复杂的长大隧道勘察中具有广泛的应用[7-9]。

1.2 瞬变电磁法(TEM)

TEM属于时间域电磁法，是以地下目标体与围岩电导率差异为基础，根据电磁感应原理来研究电磁场时间和空间分布规律，以探测良导目标体的一种物探方法[10]。其探测原理是：通过发射机向发射回线上提供电流脉冲方波，在断电瞬间产生垂直于发射线圈的感应磁场，称为一次磁场，一次磁场向地下传播。地下目标体在一次磁场的激励下，产生涡旋电流，产生涡流的大小与地下目标体电导率正相关。一次磁场消失后，涡旋电流产生的二次磁场不会立刻消失，而是随时间衰减。通过采集线圈或磁棒可对二次磁场进行观测，分析二次磁场在不同时间点的衰减变化，实现地下目标体电阻率分布情况的探测。

均匀全空间介质中水平圆形回线发射框中心的感应电动势为:

(3)

其中，I0为供电电流强度；t为观测时间；u为大地磁导率；S为接收线圈的等效面积；r0为发射线圈半径。

同时，

(4)

(5)

其中，S0为发射线圈的面积。

由于瞬变电磁法对良导体具有较好的探测效果，近年来，铁路隧道建设过程中，将瞬变电磁法作为一种有效的探索手段引进到隧道超前地质预报中，并取得不错的探测效果[12-16]。

2 工程实例

在建成昆铁路复线某极高风险隧道全长11 120 m，设有一个平导，两个横洞，其中2号横洞全长1 067 m。隧址区地形为高山峡谷区，山高坡陡，沟谷下切强烈，大凉山断裂的分支普雄—尼日河活动断裂沿尼日河分布。沿线出露地层主要有侏罗系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系、寒武系及震旦系上统地层，大部分为可溶岩地层，少部分为玄武岩、砂泥岩及断层破碎带等。普雄—尼日河活动性逆断层与2号横洞相交，夹角为87°，为东倾斜走向活动性逆断层，该断层位于震旦系上统灯影组、三叠系上统白果湾组灰白色白云岩、灰色泥岩、粉砂岩地层中，走向长20.2 km。断层走向N20～30°W，倾向NE，倾角60°～75°，断距200 m～300 m。断层带岩体破碎，岩体完整性差。

2号横洞施工至里程H2DK0+225时，隧道埋深约为600 m，发生了突水突砂，突砂方量约10 000 m3。该段地层为震旦系上统灯影组白云岩，地层古老，在普雄—尼日河活动性断裂影响下，岩体破碎。由于地下水长期的溶蚀作用，形成砂化白云岩，并产生一种饱含水的“砂包石状”结构。隧道开挖后，形成临空面，在重力和渗透压作用下，由地下水和砂化白云岩组成的“砂包石状”结构产生溃决，发生突涌。突水突砂发生之后，由于涌砂量大，掌子面后上方出现大的空腔，围岩极破碎。如果正面掘进通过，工程措施难度大、安全风险高、时间久，为保证施工安全和施工进度，决定绕行。

3 测线的布置

3.1 AMT测线布置

在该隧道2号横洞H2DK0+150，H2DK0+200，H2DK0+250地表垂直于2号横洞中线方向分别布置AMT横测线三条，编号分别为：WT-1，WT-2及WT-3(见图1)，测点点距20 m。本次工作采用MTU-5A大地电磁仪采集数据，共完成48个电磁测深点和3个检查点。

3.2 TEM测线布置

在2号横洞洞内H2DK0+340～H2DK0+280段垂直于左边墙和右边墙分别布置1条瞬变电磁测线(见图2)，每条测线点距2 m，通过移动发射接收线圈，形成2条实测剖面。本次工作采用YCS2000A型矿用瞬变电磁仪进行数据采集，选取中心回线装置，边长2 m的激发正方形线圈，激发线圈匝数10匝，接收探头等效面积450 m2。供电电流为4.5 A，采样时间100 ms，采样率250 kHz。为保证原始数据的可靠性，提高信噪比，每个测点叠加次数不少于100次。

4 资料解译及绕行方案的选取

4.1 AMT探测成果

通过二维反演，获取了三条测线反演电阻率剖面(见图3～图5)。

纵观各测线的反演电阻率断面图，总体特征表现为电阻率以中高阻为背景、横向上高低阻相间，其中2号横洞中线右侧区域整体电阻率相对左侧较高。在各测线的中部隧道位置均出现一低阻异常，已开挖的2号横洞H2DK0+250位置，部分地下水已通过2号横洞排泄，其洞身位置也呈现相对低阻。通过上述分析，推测岩溶发育区及地下水运移通道为相对低阻特征，相对高阻区域岩溶和地下水相对弱发育。

4.2 TEM探测成果

通过数据预处理(电感校正、曲线偏移、小波变换)，计算晚期视电阻率，最后进行时深转换，获得左、右边墙前方视电阻率剖面(见图6)。

对比左右边墙瞬变电磁法视电阻率成果图分析，在测线范围内左边墙前方视电阻率值整体比右边墙前方低，推测左边墙前方围岩岩体更破碎、含水量更大；根据右边墙瞬变电磁法视电阻率成果图分析，H2DK0+288～H2DK0+294范围视电阻率值相对两侧较高，推测该范围内右边墙前方围岩岩体较两侧稍好，含水量较少。根据洞内TEM视电阻率剖面成果图，建议从线路右侧绕行，且绕行切入点选择在H2DK0+290附近。

4.3 绕行线路的选取

2号横洞隧底平均标高为1 468.7 m，将该标高处的AMT电阻率投影到平面图上，并根据电阻率高低圈定“富水或岩溶强烈发育体”“含水或岩溶中等发育体”以及“岩溶弱发育体”，见图7。整体上2号横洞线路右侧存在大片的“岩溶弱发育体”，岩溶相对弱发育，这与洞内TEM成果能相互印证，提高了资料的可信度。因此，绕行线路选择从2号横洞线路右侧的“岩溶弱发育体”区绕行，并且绕行切入点选择在H2DK0+290，如图7所示。目前，绕行的2号横洞已经成功掘进至线路正洞，期间再未发生过突涌。

5 结语

本文通过工程实例，取得以下结论：1)音频大地电磁法勘探深度大、受地形影响小，对于深埋隧道能有效探测隧址区地下水或岩溶体发育情况，能宏观指导绕行线路的选取。2)矿用瞬变电磁仪配置小线圈，能对隧洞内边墙两侧区域相对含水情况进行有效探测，对绕行线路切入点的选取具有指导意义。3)对于需要绕行的隧洞，利用地表与洞内物探相结合的综合方法，能快速、有效的选取绕行方案和绕行切入点，对安全施工和保证工期具有积极作用。