GEM3D電磁勘探系統在隧道施工中水文地質勘察中的應用

楊榮雙 劉 巍 張寒韜

1.云南鶴劍蘭高速公路投資開發有限公司 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，西部交通基礎設施工程建設正如火如荼的進行，由于西部山區地形起伏大，隧道工程具有埋長深、距離長、地質復雜的特點，隧道施工安全風險越來越大，突水涌泥災害頻發。大寨隧道[1]、舊州隧道[2]、圓梁山隧道[3]、崗烏隧道[4]、宜萬鐵路野三關隧道[5]等都發生了突水涌泥地質災害。

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

2 GEM3D電磁勘探系統技術方法原理及數據反演

2.1 GEM3D技術方法原理介紹

Geode EM3D是分布式網絡化電磁勘探系統，每臺接收機都有六個通道，可以配置為3個磁道，或6個電道，作業效率比System2000 V8、GDP32、EH4等設備都高，野外布置如圖1所示。

圖1 GEM3D電磁勘探系統工作布置示意圖

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，通過在地表進行電磁信號的采集，觀測地下不同地質體電阻率分布規律，解譯電阻率與地質體的關系。音頻大地電磁法假設場源為平面電磁波，地下介質在水平方向為均勻的，應用電磁勘探系統在地表觀測測區Ex、Hy或Ey、Hx的變化，當天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時，由于電磁感應的作用，地面電磁場的觀測值會包含地下介質的電阻率分布信息。而由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，因此大地電磁法通過研究地表采集的電磁數據能夠反演出地下不同深度介質電阻率分布的信息。

2.2 數據反演

對采集的原始數據通過采集軟件GeodeEM.exe刪除受干擾的數據，通過軟件MtPro.exe將電道和磁道的時間序列數據轉換成深度—視電阻率、數據文件。采用非線性共軛梯度法（NLCG）進行二維反演[12]，該方法假定離散化的地電模型向量為，觀測的數據向量是，誤差向量，則反演的反函數表示為：，式中F為正演模擬算子，F(m)采用的交錯網格有限差分方法獲得。在正則化基礎上構建反演目標函數，處理目標函數最小化問題，得到目標方程：

3 工程應用實例

3.1 工程概況

項目選取云南省鶴慶到劍川到蘭坪高速公路鶴劍1號隧道為應用研究依托工程，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。

區內構造以斷層為主，地層總體為北西傾向的單斜構造，據資料，鶴慶～洱源中、強活動大斷裂帶。隧道沿線出露的地層有：第四系全新統(Qh)、下第三系(E)、三疊系(T)、二疊系(Pβ3)，地層風化程度高，巖性破碎，富水性強。

3.2 電磁測深工作點線布設

本次工作測線布設在鶴劍1號隧道左幅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，點距20m，左幅測線長10640m，點數532，右幅測線長10700m，點數535。

3.3 成果解釋

對原始數據進行NLCG二維反演，對反演結果數據通過Surfer軟件制成電阻率剖面圖，如圖2所示。

圖2 鶴劍1號隧道電磁勘探成果圖

圖中紅色與黃色區域為電阻率相對高阻區，代表巖體完整性好，富水性差；綠色區域為相對電阻率低阻區，代表巖體破碎，富水性好。

綜合地質物探成果分析，推測左幅ZK1+960～ZK12+600段、右幅K1+900～K12+600段，發育Ⅰ級區域性大斷裂4條（FⅠ-1～FⅠ-4）、Ⅱ級次級斷裂6條（FⅡ-1～FⅡ-6），Ⅲ級小型斷裂構造7條（FⅢ-1～FⅢ-7），總計17條。

隧址區巖溶中等～強發育，在地表和深部均有一定的巖溶表現形式。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。結合物探成果解譯出隧道左幅ZK1+960～ZK12+600段嚴重不良地質段14處、較嚴重不良地質段11處；隧道右幅K1+900～K12+960段嚴重不良地質段13處、較嚴重不良地質段12處。

4 結束語

通過GEM3D電磁勘探系統在鶴慶至劍川至蘭坪高速公路鶴劍1號隧道中水文地質勘察中的應用，結合實際觀測已開挖隧道的含水情況，證實GEM3D電磁勘探系統滿足隧道施工中水文地質勘察的各項條件，且效果良好，作業效率高，是隧道工程水文地質勘察的一種有效的物探手段，值得推廣應用。