瞬變電磁法在隧道巖溶勘察中的應用研究

許波、徐春明、燕軻、戴夏斌、嚴鵬

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210014）

0 引言

灰巖區巖溶問題是各類工程問題的重大隱患，在灰巖分布區進行道路、橋梁及隧道等基礎施工，往往因未查明的巖溶、土洞等發育所引發的塌陷而造成人員傷亡和經濟損失。因此在勘察設計階段，需查明灰巖區巖溶發育情況，以最大限度保證施工安全。

采用物探技術手段探測灰巖區巖溶發育分布特征，是較為經濟且有效的勘察方法，其主要涉及面波法、高密度電法、彈性波CT 以及瞬變電磁法等。本文將重點討論瞬變電磁法在隧道工程灰巖區巖溶勘察中的應用。

1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不同接地回線（線圈）向被測地質體發射脈沖式電場作為場源（一次場），以激勵被測體產生二次場，在發射脈沖的間隙利用接地回線（線圈）接收二次場隨時間變化的響應。從接收的二次場數據中分析出地質體異常導電體的位置，從而達到解決地質問題的目的。

等效電流環很像從發射回線中“吹”出來的一系列“煙圈”，向外擴散的過程被形象地稱為“煙圈效應”[1-2]。從“煙圈效應”的觀點來看，早期瞬變電磁場是由近地表的感應電流產生的，反映淺部電性分布；晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的，反映深部的電性分布。因此，觀測和研究大地瞬變電磁場要隨時間的變化規律，可以探測大地電位的垂向變化，這便是瞬變電磁測深的原理。

中南大學自主研發生產的等值反磁通瞬變電磁區別于傳統的單磁源瞬變電磁，在抗干擾性及精度上做了較大創新改進，其最大優勢在于應用反磁通瞬變電磁技術，很大程度上減少了傳統瞬變電磁淺層地質勘探存在的“盲區”及抗電磁干擾能力弱問題的發生，且該系統便攜化了收發天線，提高了儀器穩定性，校準了早期純二次場測量，并改進了瞬變電磁快速反演技術。

2 常規瞬變電磁法巖溶探測應用（徐州某隧道）

2.1 隧道工程地質條件

該隧道區屬低山丘陵地貌，地面標高115～142m。山體呈北東向展布，山體標高為110～171m，相對高差0～60m，具有南坡陡、北坡緩的特點，自然坡度在15～35°。組成山體巖石多碳酸鹽巖類及碎屑巖類，局部巖體裸露，植被較稀少，巖溶裂隙較發育。

地層主要由寒武系中厚層石灰巖、泥頁巖組成，淺部局部分布全新統殘積碎石及全風化泥頁巖。該工程場區基巖出露較多。

隧道位于大洞山—南許陽復背斜：位于大洞山—南許陽一帶，軸向北東，東端昂起，向南西傾伏，核部為震旦系九頂山組，兩翼為寒武系。隧道位于該背斜的南翼，根據區域地質資料顯示，存在一條小型斷裂F23 呈NW 向斜穿隧道，為一走向近NW290°向的正斷層。推測該斷裂寬約50m，斷層上盤為寒武系泥頁巖，下盤為寒武系灰巖，該斷裂斜穿隧道，沿線圍巖破碎，對隧道穩定影響較大，灰巖產狀265°∠24°，泥頁巖產狀225°∠15°。

隧道區地下水主要為基巖裂隙水及巖溶水。基巖裂隙水主要賦存于強風化基巖及破碎中風化基巖中。由于巖層破碎，裂隙發育，基巖透水性較好，含水性較差，因此以向下入滲排泄為主。深部由于其裂隙閉合，多為礦物充填，含水性與透水性減弱[3]。

2.2 常規瞬變電磁應用解譯及分析

隧道位于低山丘陵地質區，地形起伏變化較大，地層巖性較多，變化較大，場區內發育有斷裂，地下水發育，巖溶發育，工程地質條件復雜。應用傳統的高密度電法作業較為困難，隧道埋深較淺約60m，綜合考慮選取瞬變電磁作為隧道洞身探測技術手段較為適宜。測線布置以沿隧道洞身中心線布設一條左洞縱測線，結合勘察鉆孔資料對隧道左洞成果進行綜合解譯。

左線洞身里程范圍為K10+205—815，探測成果整體顯示以小里程段高阻為主、大里程段低阻為主，中間見有較為明顯的高低阻接觸帶。結合勘察鉆孔資料，小里程段高阻以灰巖為主，淺部低阻區為泥巖；大里程段低阻以泥巖為主，深部見有高阻灰巖；高低阻接觸面推測為斷層F23，也為灰巖泥巖接觸面，灰巖段見有低阻異常，推測為巖溶發育。綜合瞬變電磁探測成果，對巖溶發育及斷層進行鉆孔驗證。驗證結果顯示，低阻異常區見有巖溶約2.5m，半充填；高低阻接觸帶斷層異常，見有巖體破碎斷層角礫巖。測區各地層視電阻率特征如下：一是覆蓋層多顯示為低阻，測線段表層電阻率顯示為高阻，推測為地表基巖出露；二是下覆基巖顯示為高阻；三是巖溶發育帶斷層破碎帶、裂隙密集帶，含水率較高，電阻率相對完整巖石較低。從視電阻率上反映，以上不良地質體均顯示為低阻，完整巖石顯示為高阻。

結合勘察鉆孔資料，以視電阻率值對上述解譯進行劃分（見表1）。隧道右線與左線視電阻率劃分范圍基本一致，但視電阻率值整體偏低，對于巖體的圍巖等級、破碎區等細致劃分不夠細致，做到量化標準的劃分有所難度，但這個問題在等值反磁通瞬變電磁中得到較大改進。

表1 地層及異常視電阻率劃分

3 等值反磁通瞬變電磁在巖溶區隧道勘察中的應用（溧陽某隧道）

3.1 隧道工程地質條件

該隧道區屬低山殘丘地貌，海拔標高22～158m。山體東部坡度較陡，西部坡度較緩，山體植被茂密，山體自然坡度10～40°左右。

地層主要有二疊系灰巖和硅質頁巖、侏羅系凝灰巖，淺部分布第四系全新統殘坡積層，巖土種類多，不均勻，性質變化大。該工程場區為復雜地基。

隧道區斷裂發育，按斷裂類型劃分為正斷層和平移斷層。分組概述如下：正斷層（f13、f14、f15）：f13 斷層于隧道暗挖處斜交，上盤為大王山組安山巖，下盤為大王山組安山巖，產狀164°∠75°；f14 斷層于隧道暗挖處斜交，上盤為大王山組安山巖，下盤為孤峰組頁巖、灰巖，產狀164°∠75°；f15 斷層于隧道暗挖處斜交，上盤為孤峰組頁巖，下盤為孤峰組頁巖、灰巖，產狀320°∠55°。平移斷層（f6、f7、f8、f9）：f6、f7、f8 和f9 為壓性右行平移斷層，切割棲霞組、孤峰組和大王山組地層，產狀280～340°∠近90°；f6 斷層于隧道暗挖處斜交，同時切割斷裂f13、f14 和f15。

根據地下水埋藏特征，場地地下水類型為潛水、基巖裂隙水（構造裂隙水）、巖溶水。潛水主要賦存于淺部填土及粉質黏土夾碎石中，接受大氣降水的入滲補給和地表水側向補給，以垂直蒸發和徑流方式排泄，地下水位年變幅約為1.0m。基巖裂隙水（構造裂隙水）主要賦存于風化基巖、構造裂隙中，接受大氣降水、潛水的入滲補給，以徑流方式排泄，巖體破碎，裂隙、構造和巖溶發育，基巖透水性較好[4]。

3.2 等值反磁通瞬變電磁應用解譯及分析

隧道位于低山殘丘工程地質區，地勢起伏較大，地層巖性較多，不均勻，性質變化較大，同時隧址區斷裂發育，巖溶發育，工程地質條件復雜。該工程在大地電磁、高密度電法探測均不夠理想的情況下，選取等值反磁通瞬變電磁進行探測，測線布置以沿隧道洞身中心線布設左右洞縱測線各一條，并結合勘察鉆孔資料對隧道成果進行綜合解譯。

由反磁通瞬變電磁視電阻率值特征，分析得出地層視電阻率值規律大致如下。

粉質黏土夾碎石層與全風化安山巖視電阻率值較為約0～40Ω·m；安山巖整體視電阻率值約40～320Ω·m，其中強風化安山巖約40～80Ω·m，破碎中風化安山巖約80～340Ω·m；灰巖視電阻率值較高約260～360Ω·m；硅質頁巖視電阻率值30～250Ω·m。地質病害異常體視電阻率值統計見表2。依據場地地球物理特征，充填型巖溶一般以低于圍巖電阻率值特征為主，空洞型巖溶以高于圍巖電阻率值特征為主。

表2 地質病害體視電阻率值統計表

結合鉆孔隧道左線揭示溶洞主要為半充填大規模溶洞，推測高阻封閉區為溶洞強發育區1 及溶洞強發育區2；隧道右線揭示溶洞主要為充填型溶洞，推測低阻封閉區為溶洞強發育區3 及溶洞強發育區4。隧道左右線均見有嚴重溶蝕區，具體表現為嚴重溶蝕區內橫向視電阻率高阻低阻相隔分布，推測嚴重溶蝕區內灰巖破碎，局部溶洞溶蝕發育嚴重，該表現與灰巖內部裂隙發育相關，客觀上存在隨機性。另結合地質資料，推測二處斷裂均為低阻反應。

后經超前預報人員及施工單位反饋證實，左線巖溶強發育區1、2 為大規模空洞型巖溶發育，巖溶強發育區1 的規模超出隧道頂板及底板；右線巖溶強發育區3、4 為大規模充填型巖溶發育，規模接近隧道頂板及底板。由于電磁法具有體積效應，異常圈定異常尺寸往往會大于實際異常尺寸，因此一般鉆孔驗證在異常中心點下鉆。

反磁通瞬變電磁處理軟件需輸入基準阻值參數，依據地層淺層地層電阻率情況，給予最接近地層真實電阻率數值，作為數據反演處理的重要參數之一，使得整體地質地層視電阻率值更接近于真實地層電性模型結構，從而進行量化標準的判定，同時采用的反向對偶磁源中心回線裝置觀測數據，提高了反應電阻率的靈敏度[5]。

4 結語

瞬變電磁法作為一種無損物探探測技術，在其裝置及施工方式得到較大創新改進后，外業操作大為便利（以等值反磁通瞬變電磁為例），較大提高了外業施工效率。在探測深度與精度上具備獨特優勢，越來越多地應用于道路、橋梁及隧道等各類工程中。

圍繞瞬變電磁在隧道工程巖溶探測中實際應用案例，等值反磁通瞬變電磁采用的反向對偶磁源中心回線裝置觀測數據，提高了反應電阻率的靈敏度，與此同時也極大縮小了傳統瞬變電磁探測過程中的淺部盲區，并且等值反磁通瞬變電磁在數據處理中創新性地提出基準阻值參數，其依據淺層地層電阻率情況，給予最接近地層真實電阻率數值。作為數據反演處理的重要參數之一，使得地質地層視電阻率值反演后更接近于真實地層電性模型結構，從而對地層進行量化標準的判定，結合鉆孔資料證實其對巖溶探測有效性以及數值量化劃分地層規律，以及地層病害異常的可行性，為隧道工程圍巖等級劃分提供可參考的量化指標，對巖溶區隧道工程勘察具有較好的借鑒與指導意義。