電磁波CT技術在隧道基底巖溶勘探中的應用

2020-08-25 12:01:04彭佳斌

甘肅科技 2020年12期

劉俊，彭佳斌

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430050）

1 概述

隨著我國“一帶一路”的實施，更多的公路、鐵路隧道在西部巖溶地區修建。巖溶地區的工程地質和水文地質極其復雜，修建隧道極易發生塌方、涌水涌泥的地質災害，在修建過程中有必要對巖溶地層進行地質勘探與超前地質預報。當前關于巖溶區隧道地質勘探的方法主要為鉆探與物探，其中鉆探法只能對溶洞進行局部的探測，不能對溶洞的大小、形態及填充情況進行整體的反映，地質雷達、孔間電磁波CT技術、高密度電法等物探方法正好彌補此方面不足[1]。由于巖溶地質的復雜性，并非所有物探手段都適用，如地質雷達受天線中心頻率的影響較大，不適用于被淺層破碎帶覆蓋的深層不良地質的探測等[2，3]。電磁波CT技術作為近些年發展起來的地球物理探測技術，因其分辨率精度高、直觀等優勢，已在堤壩[4，5]、采空區[6-8]等工程中得到了較好的運用，但在巖溶勘察中的運用中因不同的觀測系統在層析圖像質量上不一樣，且不同的成像方法、重建算法，成像結果差異較大[9-11]。開挖過程中仰拱處揭示出溶洞

余慶至安龍高速公路董當隧道左線仰拱開挖至ZK65+965時，隧道基底揭示出溶洞，如圖1所示。為進一步確定隧道基底巖溶的范圍及形態，利用電磁波CT技術對附近隧道基底進行了勘探，并結合取芯結果驗證，較為準確的推斷了孔間巖溶發育帶的分布，進一步證實了電磁波CT技術在巖溶隧道勘探中的具有的獨特優勢。

圖1 隧道基底揭示溶洞

2 電磁波CT技術的基本原理

電磁波CT技術是通過在兩個鉆孔中接收和發射無線電波，來確定地質情況的地下物理測試方法。其源于麥克斯韋方程，是在電磁波幾何射線理論基礎上形成的勘探方法，電磁波場強變化公式[12]為

其中，E為接收點出場強值，單位為V/m；E0為發射點處初始發射常數；β為吸收系數，反映出電磁波的衰減程度，單位為dB/m；f(θ)為sinθ發射和接收天線的方向因子函數；r為發射點與接收點之間的距離，單位為m。

分析公式（1）得出，電磁波在不同地質中傳播時，因不同地質對電磁波的吸收值不一樣，可通過觀測數據的變化進行地質的推斷。通常情況下，巖溶、破碎帶等地層的吸收系數要高于其他圍巖，因此得出巖溶、地層的場強值相對較小，最終呈現出負異常，通過此差異來推斷地層巖溶的發育情況。

3 數據采集

3.1 儀器設備介紹

本次探測采用的儀器為湖南岳陽奧成科技生產的HX-JDT-02B型地下電磁波儀，儀器掃頻范圍：0.1～32MHz；掃頻間隔：0.1～9.9MHz；發射機輸出脈沖功率：10W；接收機測量范圍：0.17μV～>56mV；接收機測量誤差：-120dB～-30dB<±3dB；鉆孔儀器密封性能≥150大氣壓（≥1000m井深）；電源：充電電池連續工作8h；鉆孔儀工作溫度：5～45℃；面板工作溫度：0～45℃；天線：分段寬頻帶地下天線。

3.2 探測系統概述

本次探測針對現場布設的8個鉆探孔，共完成CT探測剖面14對，布孔圖如圖2所示。為了既能滿足透射距離又能保證接收質量，本次勘探選擇的電磁波工作頻率為20～28MHz，頻率間隔為4MHz，發射點的密度與接收采樣密度相同，都為1m。發射機每隔1m固定發射，接收機自下而上相應每隔1m間距采樣便可以得到對應于某一發射點的一組觀測數據。然后改變發射源的深度，即往地表方向上移1m，重復下一個扇形排列接收。如此過程，直至發射源到達最小發射深度為止，探測系統示意圖如圖3所示。

圖2 鉆探孔布孔圖

圖3 探測系統示意圖

4 數據處理分析

4.1 處理流程

電磁波CT技術成像資料數據處理流程如圖4所示。

圖4 數據處理流程圖

4.2 數據處理關鍵步驟

4.2.1 正演模型的建立

首先通過相關勘察設計圖對現場探測剖面圖的幾何、物理條件進行梳理；再進行剖面內介質的物理參數估算，一般高吸收的異?？腕w被低吸收的圍巖介質包裹，物理參數用吸收系數表示，單位為dB/m；在以上基礎上，進行異?？腕w和圍巖介質分布形態和狀態的估算，并進行剖面測量曲線的計算[10]；最后進行反演計算，并對正演模型參數以及異?？腕w、圍巖介質形態大小的修正。

4.2.2 反演計算

為提高正演解釋的精確性，必須對正演結果進行反演計算。當前應用較為廣泛的反演計算方式有聯合迭代法（SIRT）、代數重建法（ART）、反射投影法（BPT）、最大嫡法（WEIR），可根據現場實際情況擇優選擇，本工程采用精度較高的聯合迭代法。

4.3 研究區域地質物理參數估算

根據鉆探揭露，探測區地層主要為二疊系上統（P2）灰巖，節理裂隙發育?；規r中巖溶發育垂向型為主，存在部分水平干溶洞，被粘土夾碎石充填。巖溶發育的灰巖與完整的灰巖比較，在物性上存在較大差異。巖溶發育的灰巖對電磁場產生明顯的吸收作用，觀測的電磁場強幅度明顯變小，吸收系數變大。通過對本區域探測分析，完整灰巖的吸收系數較小，一般不超過0.2dB/m，巖溶發育區吸收系數大多數大于0.2dB/m。

5 電磁波CT探測剖面分析

因篇幅有限，本文選取03#～05#剖面、04#～06#剖面、07#～05#剖面進行分析，其鉆孔間電磁波吸收系數分布特征與推斷地質圖如圖6～圖11所示，現場取芯照片如圖5所示。

圖5 現場鉆孔取芯施工圖

03#～05#鉆孔間電磁波吸收系數分布特征與推斷地質圖見圖 6、7，03＃里程為 ZX65+940.00左8.38m，實測深度為26m，05#里程為ZK65+960.00左 8.38m，實測深度為 45m，孔間距 20.00m，03＃孔發射，05＃孔接收，采用定發采集方式，移動步距lm。該剖面基巖為灰巖，根據吸收系數等值線分析，吸收系數范圍在0.02～0.54dB/m，其中在0.00～7.00m高程702～716m，吸收系數相對較高，大于0.20dB/m，推斷為巖溶裂隙發育區。在10.00～20.00m高程710～730m，吸收系數相對較高，結合鉆孔資料分析為回填碎石土。

04#～06#鉆孔間電磁波吸收系數分布特征與推斷地質圖見圖 8、9，04#里程為 ZK+950.00左0.38m，實測深度為15m，06#里程為ZK65+968.00左 1.88m，實測深度為 38m，孔間距 19.60m，04＃孔發射，06#孔接收，采用定發采集方式，移動步距lm。該剖面基巖為灰巖，根據吸收系數等值線分析，吸收系數范圍在0.06～0.50dB/m，其中在0.00～12.00m高程715～728m，吸收系數相對較高，大于0.20dB/m，推斷為巖溶裂隙發育區。在剖面靠近6#孔一側，高程700～733m，吸收系數相對較高，結合鉆孔資料分析為回填碎石土。

07#～05#鉆孔間電磁波吸收系數分布特征與推斷地質圖見圖 10、11，07#里程為 265+980.00左8.3m，實測深度為11m，05#里程為ZK65+960.00左8.38m，實測深度為45m?？组g距20.00m，07#孔發射，05#孔接收，采用定發采集方式，移動步距lm。該剖面基巖為灰巖，根據吸收系數等值線分析，吸收系數范圍在0.06～0.44dB/m，其中在剖面下部，高程700～707m，吸收系數相對較高，大于0.20dB/m，推斷為巖溶裂隙發育區。在剖面上部，高程710～725m，吸收系數雜亂無規律，結合鉆孔資料分析為回填碎石土。