半航空瞬变电磁法在凤凰2号隧道勘察中的应用

郑寰宇, 胡 杰, 潘志军, 陈信朋, 孙汉武, 王用鑫, 5, 孙怀凤, 6, *

(1. 广西路建工程集团有限公司, 广西 南宁 530001; 2. 广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心, 广西 南宁 530007; 3. 山东大学岩土与结构工程研究中心, 山东 济南 250061; 4. 山东大学地球电磁探测研究所, 山东 济南 250061; 5. 山东省交通规划设计院集团有限公司, 山东 济南 250101; 6. 山东省工业技术研究院先进勘探与透明城市协同创新中心, 山东 济南 250098)

0 引言

国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要对交通强国建设提出了新的要求,国家基础设施建设逐步向地形极端复杂的中西部地区推进,工程安全与质量问题得到更加广泛的关注。我国西南地区群峰林立、地形复杂,公路、铁路项目隧道占比高,如遇突水突泥等不良地质灾害将严重影响隧道施工进度,并可能造成严重的人员伤亡和财产损失。

为确保隧道施工安全和顺利贯通,通常在隧道初勘阶段开展地球物理勘探和钻探,并根据探测结果推断隐伏不良地质灾害的类型及规模。在隧道施工阶段,常在掌子面采用超前预报、超前水平钻探和监控量测等手段探明隧道前方的不良地质灾害[1]。我国西南地区隧道沿线及周边区域主要是喀斯特地貌,多位于偏远地区且山势险峻,地质勘探人员难以携带探测设备到达隧道沿线山岭地区,开展常规的物探和钻探工作通常面临着巨大困难。因此,隧道风险区域及围岩等级划分多依据已有地质资料、设计人员经验以及实地踏勘来粗略确定。由于缺乏精细探查结果,隧道施工过程中易发生灾害事故,因此亟需研究一种针对隧道复杂地形的勘察新方法,来指导隧道高风险区域施工[2-3]。

与传统电磁法相比,半航空瞬变电磁法(semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)具有勘探深度大、受地形影响小、工作效率高等优势,在复杂山岭地区开展快速探查的应用潜力逐渐凸显[4]。半航空瞬变电磁法起源于20世纪70年代,俄罗斯和西欧等国家出现了一种基于航空电磁法且采用接地电性源作为激励方式的TURAIR系统[5-6]。嵇艳鞠等[7]通过数值模拟与现场试验的方法对半航空瞬变电磁进行系统研究,使用无人飞艇搭载瞬变电磁接收器; 关珊珊等[8]基于MATLAB设计了简单、易操作的数据预处理软件; 许洋铖等[9]提出的综合消噪法对多种噪声有很好的抑制作用; 李貅等[10]建立了较为完整的半航空瞬变电磁探测系统,进一步完善了半航空瞬变电磁数据处理内容; 张莹莹等[11]研究了单辖射场源和多辐射场源半航空瞬变电磁的响应规律; 宿传玺[12]以广西岩溶地区为背景,利用三维时域有限差分法进行了浅层岩溶半航空瞬变电磁响应规律和试验研究。

近年来,半航空瞬变电磁法在矿产勘察、水文地质调查、工程勘察、环境监测等领域开展了诸多应用。Elliott[13]利用半航空瞬变电磁法勘探矿山资源,采用大固定源法进行解释;Mogi等[14-15]、Ito等[16]利用长偏移距的半航空瞬变电磁法开展了地热调查和火山监测; Allah等[17-18]利用接地长导线源的半航空瞬变电磁法进行海水入侵调查;Xue等[19]进行了地下采空区的半航空瞬变电磁勘探试验;Sun等[20]利用接地长导线源的半航空瞬变电磁法在广西达墨隧道开展勘察工作,成功探测多处岩溶风险区,探测结果与隧道开挖的围岩等级划分高度吻合;Liu等[21]在广西天巴高速勤兰1号隧道开展“空-隧”多尺度综合探测,将半航空瞬变电磁法和隧道内超前预报方法相结合,成功探测出1处断层破碎带和充填型溶洞,取得了较好的应用效果。

广西来宾—都安高速公路凤凰2号隧道地形条件复杂、开挖难度大,为获取有效的地球物理探测结果,开展半航空瞬变电磁法研究并进行应用。针对目前研究中存在的噪声干扰强烈、数据信噪比低、空间分辨率差等问题,本文主要从数据采集流程、原始数据噪声去除、数据叠加与时窗积分、全域视电阻率计算与三维成像等方面开展研究和应用。

1 半航空瞬变电磁法基本原理

瞬变电磁法是在地面布设激励源并为其供交流电,激励源向地下发射一次脉冲磁场。当该系统在发射状态下将电流突然关断,地质体会在此效应下受到激励,从而产生二次感应涡流场。在激励源已经关断且未通电的间隙时刻,于地面通过线圈或接地电极对二次感应涡流场进行观测。二次感应涡流场的衰减特性能够反映地下介质的电性情况,通过数据处理与解译可以对地下目标成像,可以得到地下电阻率分布,进而探查地下围岩的电性、规模和形态。半航空瞬变电磁法利用接地长导线向地下介质发射电流,在空中飞行的无人机搭载着接收系统,在电流断开的间隙采集二次场信号。因此该方法兼具航空类电磁法的灵活性和地面瞬变电磁法对导体敏感的优势。半航空瞬变电磁法原理如图1所示。

图1 半航空瞬变电磁法原理图

2 现场应用与数据预处理

2.1 工区概况与水文地质特征

凤凰2号隧道位于广西壮族自治区来宾市兴宾区良塘镇附近。设计隧道为双洞分离式越岭隧道,右线设计长度为3 045 m,左线设计长度为3 107 m。隧道周边区域地貌类型属构造溶蚀峰丛洼地谷地,山峰通常呈锥形、塔形或垄脊状,基座联结成簇状山地,洼地多呈条形,底部一般较平坦。隧道走向呈北东—南西向,穿越段地表标高为183～458 m,右线最大埋深为230 m,左线最大埋深为228 m。隧道所在区域属亚热带季风气候区,气候温暖湿润,热量丰富,雨量充沛。年平均气温约19.8 ℃,最低气温为-2.6 ℃,最高气温为39.4 ℃。该区域降水量分布不均,年累计平均雨日达160～190 d,雨季通常为4月至10月,旱季为11月至次年3月。测区多年平均降雨量为2 000 mm。

根据前期物探、钻探及地质踏勘资料显示,隧道沿线及周边区域地表第四系覆盖层为含砾粉质黏土,主要成分为黏粒和粉粒,黏性一般,局部含有少量砾石,根据钻孔揭露土层厚度为8.8～13.0 m。基岩为中风化灰岩层,中厚层状构造,节理裂隙稍发育,岩性较破碎,RQD=30%～64%,根据钻孔揭露岩层厚度为41.0～105.3 m。此外,隧道沿线钻探过程中揭露有串珠式溶洞,钻孔见洞隙率为50%,线岩溶率为13.8%,属岩溶强发育区。凤凰2号隧道位置与隧道勘探区域及航线规划如图2所示。Z1K244+100 m里程处钻孔记录如图3所示。

(a) 隧道位置图(b)隧道勘探区域及航线规划

图3 Z1K244+100 m里程处钻孔记录

根据前期水文地质资料,隧道所在区域地下水主要为岩溶水,水量丰富。该区属地下水补给径流区,地下水主要自南西向北东径流。隧道沿线存在较多的岩溶洼地和谷地,且溶蚀裂隙、消水洞等岩溶形态发育。岩溶洼地、谷地是降雨的汇集区,雨水又沿溶蚀裂隙、消水洞入渗补给地下水。

综上所述,凤凰2号隧道所在区域为岩溶强发育区,且地下水补给径流较丰富,导致在隧道施工建设过程中可能会遇到岩溶、断层破碎带等不良地质结构或突水突泥等地质灾害,因此需要在施工前期对隧道沿线及周边区域开展地球物理勘探。但由于隧道所在区域地势险峻,人员和设备难以到达隧道沿线上方的山岭峰顶,无法开展物探和钻探工作。而开展半航空瞬变电磁法可以有效解决在复杂地形隧道无法开展地球物理勘探的问题,对指导隧道设计和施工具有重要意义。

2.2 航线设计

进行野外数据采集时,首先要找寻合适的发射源,通过理论推导半航空瞬变电磁发射场源设计公式,确定合适的发射源长度和探测深度。由于山高林密,无人机在起飞后不久即会出现超视距现象,这就要求在飞行前进行详细的规划和完整的姿态设计。

半航空瞬变电磁测区范围应根据工作任务及工作量,结合地形地貌、测控方法、通视情况等综合确定,并保持探测区域的边界尽量规整。根据隧道线位和长度合理进行探测区域和航线的最优规划: 测线长度可根据隧道长度合理确定,在满足无人机续航条件和隧道长度的前提下,可将测区合理划分为若干个分区;隧道长度过大或部分区段弯曲弧度较大情况下,可根据不同区域隧道线位走向的变化情况合理分区; 测线以隧道中轴线分别向左右延伸,线距根据要求设定,直至航线位置覆盖整条隧道,规划完成后导入飞行遥控器,核查航线位置、长度及宽度是否在设计位置,准确无误后,编辑飞行高度、飞行速度、转弯半径及避障距离等参数后进行数据采集。

2.3 数据采集

由于凤凰2号隧道较长,如果采用1条发射源,电磁场辐射范围则无法完全覆盖整条隧道。为确保探测效果,故将隧道分为进口、出口2部分,分别布设发射线源。此外,由于凤凰2号隧道设计线位有较大的弧度,同时受到无人机起降点选取以及飞行时长的限制,将整条隧道探测区域分为A、B 2个区域分别开展探测(见图2(b))。其中,A区域位于隧道进口端,B区域位于隧道出口端。

现场采集参数如下: 发射机型号为EMT6000,发射电压为750 V,发射电流为9.86 A,接地电阻为76 Ω,发射基频为25 Hz。接收机型号为SATEM40,采样频率为256 kHz,接收线圈有效面积为3 000 m2,发射机与接收机利用GPS信号同步。线源A总长度约2.1 km,距离A区域的飞行中心剖面约1.3 km; 线源B总长度约1.2 km,距离B区域的飞行中心剖面约1 km。数据采集过程中,在A区域和B区域分别布设12条测线,航线间距为10 m,无人机飞行海拔为550 m,飞行速度为8 m/s。

2.4 数据预处理

半航空瞬变电磁法是使用无人机拖曳着接收线圈在空中进行数据采集工作,相比于传统的地面瞬变电磁法,观测数据中的噪声成分更为复杂。为提高野外数据质量、保证数据反演及解译的合理性和准确度,需要对采集到的数据进行预处理,包括天电噪声去除、运动噪声去除、数据叠加和时窗积分等,最后将处理后的数据进行视电阻率计算与成像,以此划分电阻率异常区并进行地质解释[22-25]。数据处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程图

2.4.1 天电噪声去除

天电噪声是自然界雷暴活动产生的电磁辐射对所采集电磁信号的干扰,在半航空数据中表现出持续时间较短、信号强度较大的特点。天电噪声数据如图5所示。对于半航空瞬变电磁数据,本文使用α-trimmed均值滤波器进行去噪。α-trimmed作为一种非线性滑动窗口滤波器,可以保证数据在完整性的前提下对原始数据的天电噪声进行有效去除。α-trimmed均值滤波器计算原理示意如图6所示。通过排序和修剪像素值来平滑图像和减少噪声。均值滤波器通过移动滑动窗口到每个像素位置,排序像素值并去除最低α/2和最高α/2的值,然后计算剩余像素值的平均值作为新值。这种方法能够有效去除异常值和噪声,保留图像的细节和边缘信息。并且,得益于滤波器的压制“毛刺”作用,晚期数据中富含的随机噪声也得到了一定的压制。此外,该滤波器还可以通过调整窗宽以及裁剪参数以适应不同测区的数据,具有良好的适用性。

图5 天电噪声数据

图6 α-trimmed均值滤波器计算原理示意图

2.4.2 运动噪声去除

在无人机飞行过程中,由于线圈的摆动、旋转以及无人机移动等因素造成采集到的电磁信号会偏离应有的基准线,导致叠加数据在晚期最终衰减不为0。采集的数据由于运动噪声的存在无法用于反演,因而必须对原始数据进行校正后才能进行叠加和积分计算,以此获得合理的瞬变电磁衰减曲线[26]。运动噪声去除可采用小波分解、多项式拟合等方法实现。考虑到半航空瞬变电磁采用的是纯二次场数据,为获得良好的去噪效果,采用多项式拟合的方式去除运动噪声。多项式拟合可以在单周期数据下获取最能描述信号趋势的方程表达式。由于运动噪声的低频分布特性,该信号趋势包含了大部分的运动噪声成分,选用最小二乘拟合方法对剔除主要有效信号后的数据进行拟合,获取表达式后对所有数据点进行重采样以消除每一数据点上的运动噪声。原始数据与多项式拟合去噪结果对比如图7所示。对比小波分解法,多项式拟合去噪策略在去除纯二次场数据中的运动噪声方面具有明显的优势,其去噪结果足以满足后续数据处理和解释的要求,即针对半航空瞬变电磁纯二次场数据运动噪声的去除,分周期多项式拟合去噪方法是行之有效的,且去噪效果优异。

黑色线段为原始数据;红色线段为基准线;蓝色线段为使用分周期多项式拟合去噪方法处理后的数据。

2.4.3 数据叠加与时窗积分

半航空瞬变电磁数据可近似看作单点多次采集,多次数据采集的目的是后期进行数据叠加,从而压制数据中含有的随机噪声。数据叠加是通过对采集到的多周期数据按照叠加原理实现的。时窗积分的目的是在时间道上获得合理的瞬变电磁衰减曲线并进行数据处理。半航空瞬变电磁数据可根据用户需求选择不同间距的时窗进行积分。本研究采用对数等间距时窗积分,参数设置根据实际采集参数设置进行确定,包括开始时间、结束时间以及积分时窗个数。

3 成像与解释

本研究基于反函数定理求解单辐射场源半航空瞬变电磁法全域视电阻率,将均匀半空间模型的电阻率视为该时间道的视电阻率。视电阻率成像结果可以作为地下介质电阻率分布的近似反映,相对于电磁法反演,视电阻率计算可以提供快速成像和近似解释,在工程上较为适用。在视电阻率计算过程中同时考虑位置坐标、时间等各个参数,视电阻率定义在时间上不分早晚、在距离上不分远近。通过计算获得全域视电阻率进行隧道探测区域三维视电阻率成像后,根据隧道线位高度进行不同高程的关键视电阻率水平切片提取。根据隧道左、右洞中轴线和边线的经纬度坐标进行视电阻率纵剖面图提取,以初步了解隧道整体探测区域水平方向及纵向的电性分布、断层推断、地层划分等地质结构特征。

3.1 全域视电阻率计算

为获取隧道沿线区域地下介质的电性分布,需对采集到的数据进行视电阻率计算和成像,以提供较为合理的地质解译。

对于水平层状介质,大地表面m个电性源在空中任一点处时间域磁场垂直分量响应的近似计算公式[11]为:

3.2 视电阻率成像

隧道整体三维视电阻率图像如图8所示。综合本次半航空瞬变电磁勘探结果以及隧道设计标高,本次数据解释选取了隧道中心位置的水平切片、隧道左洞中线及右洞中线纵剖面切片,进行相关地质异常区推断。

图8 三维视电阻率图像

隧道中心视电阻率水平切片如图9所示。由于隧道出口和进口的设计标高差约53 m,单一标高处的水平视电阻率切片并不足以满足地质推断的需要,根据隧道中心轴线坐标,提取隧道左、右线中心轴线视电阻率纵剖面(见图10),作为水平切片地质推断的补充资料。

图9 隧道中心视电阻率水平切片

(a) 右洞中线

由图9可知: 1)隧道中段位置存在明显的低阻异常,推测此区域岩溶较发育; 2)隧道进、出口均存在一定范围的低阻异常,但对比图10隧道中心轴线视电阻率纵剖面可以发现,低阻异常仅存在于山体表层,因此推测该低阻区域为较厚的含水覆土层。

根据区域地质资料,隧道中段整体岩性较为破碎,可能存在较大的岩溶发育区。通过对图8—10的结果和区域地质资料进行综合分析,绘制出水平切片和纵剖面地质推断图(见图11和图12)。由图11初步推断,隧道中段存在1处大型岩溶发育区,桩号为Z1K244+30～+260(Y1K244+60～+250),可能为山体的主要消水通道。由图12初步推断,隧道中段存在2处岩溶发育区,桩号为Z1K243+250～+320(Y1K243+250～+280)和Z1K243+980～+040(Y1K244+000～+300)。

图11 隧道中心视电阻率水平切片地质推断图

(a) 右洞中线

3.3 隧道开挖验证

在凤凰2号隧道右线开挖过程中,在Y1K244+245处揭露1个溶洞,溶洞影响范围为桩号Y1K244+245～+209。该溶洞揭露处掌子面位置埋深约79 m,溶洞向掌子面前方沿拱顶向上方发育,形状为管道型,溶腔内填充少量黄褐色黏土,掌子面处塌落物为含角砾石砂性土,与地表覆盖层土壤成分相近。隧道开挖情况如表1所示。

3.4 探测结果综合解释

该溶洞揭露位置位于半航空瞬变电磁探测结果推断的右线Y1K244+60～+250的低阻异常区内,且根据开挖情况得知,该段围岩岩体较破碎,岩溶裂隙、溶蚀较发育,部分区域存在软弱夹层,局部发育较大规模岩溶,围岩整体稳定性差。溶洞充填物为黏土,从现场开挖照片(见图13)可以看出,充填物较为潮湿,电阻率较低,符合探测条件。从地形上来看,该溶洞位于山谷洼地区域,地表水易存储且侵蚀灰岩形成岩溶发育区,雨季地表水易沿着岩溶裂隙进入隧道洞体,对隧道开挖造成严重安全隐患。

图13 Y1K244+245处溶洞揭露情况现场照片

4 结论与讨论

4.1 结论

1)根据探测结果推断的低阻异常区域与桩号Y1K244+245处开挖揭露的溶洞位置高度吻合,避免了在隧道施工过程中因隐伏岩溶灾害导致的人员伤亡和财产损失,也进一步验证了半航空瞬变电磁法在岩溶地区的适用性、有效性和准确性。

2)通过基于α-trimmed均值滤波方法的天电噪声去除和基于多项式拟合的运动噪声去除,能够在噪声去除过程中保留主要的有效数据,并有效提高原始数据的信噪比。

3)对原始数据进行全域视电阻率计算和成像,能够提高探测结果的精度和分辨率,同时满足了大批量数据处理和解译工作的需求。

4)作为一种新型地球物理勘察方法,半航空瞬变电磁法具有工作效率高、采集灵活、探测深度大等特点,为复杂地形隧道勘察提供了新思路。

5)该方法可以填补因地形限制导致的勘察资料缺失,并根据探测结果划定风险分区,进而指导施工方案的制定和调整。

4.2 讨论

1)在数据预处理方面,需要通过具体标准合理评估数据质量,定义具体标准则需要结合观测数据的特征。

2)为了获得能够近似反映探测区域地下电阻率真实分布情况的结果,在对视电阻率计算与成像时,需要结合当地实际地质资料或钻探结果进行深度校正。

3)岩溶发育区是一种极为复杂的地质异常体,由于探测过程中影响因素多,且部分影响因素难以有效获取和评价,采用半航空瞬变电磁法针对复杂地形岩溶山区隧道的隐伏灾害探测已被证明是有效的,但要想提高探测精度和准确率,还需要结合水文地质、隧道开挖、仪器电磁干扰、数据成像和解释等方面进一步进行综合研究。