半航空瞬變電磁法在鳳凰2號隧道勘察中的應用

鄭寰宇, 胡 杰, 潘志軍, 陳信朋, 孫漢武, 王用鑫, 5, 孫懷鳳, 6, *

(1. 廣西路建工程集團有限公司, 廣西 南寧 530001; 2. 廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預警工程研究中心, 廣西 南寧 530007; 3. 山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心, 山東 濟南 250061; 4. 山東大學地球電磁探測研究所, 山東 濟南 250061; 5. 山東省交通規(guī)劃設計院集團有限公司, 山東 濟南 250101; 6. 山東省工業(yè)技術研究院先進勘探與透明城市協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 濟南 250098)

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要對交通強國建設提出了新的要求,國家基礎設施建設逐步向地形極端復雜的中西部地區(qū)推進,工程安全與質(zhì)量問題得到更加廣泛的關注。我國西南地區(qū)群峰林立、地形復雜,公路、鐵路項目隧道占比高,如遇突水突泥等不良地質(zhì)災害將嚴重影響隧道施工進度,并可能造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

為確保隧道施工安全和順利貫通,通常在隧道初勘階段開展地球物理勘探和鉆探,并根據(jù)探測結(jié)果推斷隱伏不良地質(zhì)災害的類型及規(guī)模。在隧道施工階段,常在掌子面采用超前預報、超前水平鉆探和監(jiān)控量測等手段探明隧道前方的不良地質(zhì)災害[1]。我國西南地區(qū)隧道沿線及周邊區(qū)域主要是喀斯特地貌,多位于偏遠地區(qū)且山勢險峻,地質(zhì)勘探人員難以攜帶探測設備到達隧道沿線山嶺地區(qū),開展常規(guī)的物探和鉆探工作通常面臨著巨大困難。因此,隧道風險區(qū)域及圍巖等級劃分多依據(jù)已有地質(zhì)資料、設計人員經(jīng)驗以及實地踏勘來粗略確定。由于缺乏精細探查結(jié)果,隧道施工過程中易發(fā)生災害事故,因此亟需研究一種針對隧道復雜地形的勘察新方法,來指導隧道高風險區(qū)域施工[2-3]。

與傳統(tǒng)電磁法相比,半航空瞬變電磁法(semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)具有勘探深度大、受地形影響小、工作效率高等優(yōu)勢,在復雜山嶺地區(qū)開展快速探查的應用潛力逐漸凸顯[4]。半航空瞬變電磁法起源于20世紀70年代,俄羅斯和西歐等國家出現(xiàn)了一種基于航空電磁法且采用接地電性源作為激勵方式的TURAIR系統(tǒng)[5-6]。嵇艷鞠等[7]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗的方法對半航空瞬變電磁進行系統(tǒng)研究,使用無人飛艇搭載瞬變電磁接收器; 關珊珊等[8]基于MATLAB設計了簡單、易操作的數(shù)據(jù)預處理軟件; 許洋鋮等[9]提出的綜合消噪法對多種噪聲有很好的抑制作用; 李貅等[10]建立了較為完整的半航空瞬變電磁探測系統(tǒng),進一步完善了半航空瞬變電磁數(shù)據(jù)處理內(nèi)容; 張瑩瑩等[11]研究了單轄射場源和多輻射場源半航空瞬變電磁的響應規(guī)律; 宿傳璽[12]以廣西巖溶地區(qū)為背景,利用三維時域有限差分法進行了淺層巖溶半航空瞬變電磁響應規(guī)律和試驗研究。

近年來,半航空瞬變電磁法在礦產(chǎn)勘察、水文地質(zhì)調(diào)查、工程勘察、環(huán)境監(jiān)測等領域開展了諸多應用。Elliott[13]利用半航空瞬變電磁法勘探礦山資源,采用大固定源法進行解釋;Mogi等[14-15]、Ito等[16]利用長偏移距的半航空瞬變電磁法開展了地熱調(diào)查和火山監(jiān)測; Allah等[17-18]利用接地長導線源的半航空瞬變電磁法進行海水入侵調(diào)查;Xue等[19]進行了地下采空區(qū)的半航空瞬變電磁勘探試驗;Sun等[20]利用接地長導線源的半航空瞬變電磁法在廣西達墨隧道開展勘察工作,成功探測多處巖溶風險區(qū),探測結(jié)果與隧道開挖的圍巖等級劃分高度吻合;Liu等[21]在廣西天巴高速勤蘭1號隧道開展“空-隧”多尺度綜合探測,將半航空瞬變電磁法和隧道內(nèi)超前預報方法相結(jié)合,成功探測出1處斷層破碎帶和充填型溶洞,取得了較好的應用效果。

廣西來賓—都安高速公路鳳凰2號隧道地形條件復雜、開挖難度大,為獲取有效的地球物理探測結(jié)果,開展半航空瞬變電磁法研究并進行應用。針對目前研究中存在的噪聲干擾強烈、數(shù)據(jù)信噪比低、空間分辨率差等問題,本文主要從數(shù)據(jù)采集流程、原始數(shù)據(jù)噪聲去除、數(shù)據(jù)疊加與時窗積分、全域視電阻率計算與三維成像等方面開展研究和應用。

1 半航空瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法是在地面布設激勵源并為其供交流電,激勵源向地下發(fā)射一次脈沖磁場。當該系統(tǒng)在發(fā)射狀態(tài)下將電流突然關斷,地質(zhì)體會在此效應下受到激勵,從而產(chǎn)生二次感應渦流場。在激勵源已經(jīng)關斷且未通電的間隙時刻,于地面通過線圈或接地電極對二次感應渦流場進行觀測。二次感應渦流場的衰減特性能夠反映地下介質(zhì)的電性情況,通過數(shù)據(jù)處理與解譯可以對地下目標成像,可以得到地下電阻率分布,進而探查地下圍巖的電性、規(guī)模和形態(tài)。半航空瞬變電磁法利用接地長導線向地下介質(zhì)發(fā)射電流,在空中飛行的無人機搭載著接收系統(tǒng),在電流斷開的間隙采集二次場信號。因此該方法兼具航空類電磁法的靈活性和地面瞬變電磁法對導體敏感的優(yōu)勢。半航空瞬變電磁法原理如圖1所示。

圖1 半航空瞬變電磁法原理圖

2 現(xiàn)場應用與數(shù)據(jù)預處理

2.1 工區(qū)概況與水文地質(zhì)特征

鳳凰2號隧道位于廣西壯族自治區(qū)來賓市興賓區(qū)良塘鎮(zhèn)附近。設計隧道為雙洞分離式越嶺隧道,右線設計長度為3 045 m,左線設計長度為3 107 m。隧道周邊區(qū)域地貌類型屬構(gòu)造溶蝕峰叢洼地谷地,山峰通常呈錐形、塔形或壟脊狀,基座聯(lián)結(jié)成簇狀山地,洼地多呈條形,底部一般較平坦。隧道走向呈北東—南西向,穿越段地表標高為183～458 m,右線最大埋深為230 m,左線最大埋深為228 m。隧道所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候區(qū),氣候溫暖濕潤,熱量豐富,雨量充沛。年平均氣溫約19.8 ℃,最低氣溫為-2.6 ℃,最高氣溫為39.4 ℃。該區(qū)域降水量分布不均,年累計平均雨日達160～190 d,雨季通常為4月至10月,旱季為11月至次年3月。測區(qū)多年平均降雨量為2 000 mm。

根據(jù)前期物探、鉆探及地質(zhì)踏勘資料顯示,隧道沿線及周邊區(qū)域地表第四系覆蓋層為含礫粉質(zhì)黏土,主要成分為黏粒和粉粒,黏性一般,局部含有少量礫石,根據(jù)鉆孔揭露土層厚度為8.8～13.0 m。基巖為中風化灰?guī)r層,中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙稍發(fā)育,巖性較破碎,RQD=30%～64%,根據(jù)鉆孔揭露巖層厚度為41.0～105.3 m。此外,隧道沿線鉆探過程中揭露有串珠式溶洞,鉆孔見洞隙率為50%,線巖溶率為13.8%,屬巖溶強發(fā)育區(qū)。鳳凰2號隧道位置與隧道勘探區(qū)域及航線規(guī)劃如圖2所示。Z1K244+100 m里程處鉆孔記錄如圖3所示。

(a) 隧道位置圖(b)隧道勘探區(qū)域及航線規(guī)劃

圖3 Z1K244+100 m里程處鉆孔記錄

根據(jù)前期水文地質(zhì)資料,隧道所在區(qū)域地下水主要為巖溶水,水量豐富。該區(qū)屬地下水補給徑流區(qū),地下水主要自南西向北東徑流。隧道沿線存在較多的巖溶洼地和谷地,且溶蝕裂隙、消水洞等巖溶形態(tài)發(fā)育。巖溶洼地、谷地是降雨的匯集區(qū),雨水又沿溶蝕裂隙、消水洞入滲補給地下水。

綜上所述,鳳凰2號隧道所在區(qū)域為巖溶強發(fā)育區(qū),且地下水補給徑流較豐富,導致在隧道施工建設過程中可能會遇到巖溶、斷層破碎帶等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)或突水突泥等地質(zhì)災害,因此需要在施工前期對隧道沿線及周邊區(qū)域開展地球物理勘探。但由于隧道所在區(qū)域地勢險峻,人員和設備難以到達隧道沿線上方的山嶺峰頂,無法開展物探和鉆探工作。而開展半航空瞬變電磁法可以有效解決在復雜地形隧道無法開展地球物理勘探的問題,對指導隧道設計和施工具有重要意義。

2.2 航線設計

進行野外數(shù)據(jù)采集時,首先要找尋合適的發(fā)射源,通過理論推導半航空瞬變電磁發(fā)射場源設計公式,確定合適的發(fā)射源長度和探測深度。由于山高林密,無人機在起飛后不久即會出現(xiàn)超視距現(xiàn)象,這就要求在飛行前進行詳細的規(guī)劃和完整的姿態(tài)設計。

半航空瞬變電磁測區(qū)范圍應根據(jù)工作任務及工作量,結(jié)合地形地貌、測控方法、通視情況等綜合確定,并保持探測區(qū)域的邊界盡量規(guī)整。根據(jù)隧道線位和長度合理進行探測區(qū)域和航線的最優(yōu)規(guī)劃: 測線長度可根據(jù)隧道長度合理確定,在滿足無人機續(xù)航條件和隧道長度的前提下,可將測區(qū)合理劃分為若干個分區(qū);隧道長度過大或部分區(qū)段彎曲弧度較大情況下,可根據(jù)不同區(qū)域隧道線位走向的變化情況合理分區(qū); 測線以隧道中軸線分別向左右延伸,線距根據(jù)要求設定,直至航線位置覆蓋整條隧道,規(guī)劃完成后導入飛行遙控器,核查航線位置、長度及寬度是否在設計位置,準確無誤后,編輯飛行高度、飛行速度、轉(zhuǎn)彎半徑及避障距離等參數(shù)后進行數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)采集

由于鳳凰2號隧道較長,如果采用1條發(fā)射源,電磁場輻射范圍則無法完全覆蓋整條隧道。為確保探測效果,故將隧道分為進口、出口2部分,分別布設發(fā)射線源。此外,由于鳳凰2號隧道設計線位有較大的弧度,同時受到無人機起降點選取以及飛行時長的限制,將整條隧道探測區(qū)域分為A、B 2個區(qū)域分別開展探測(見圖2(b))。其中,A區(qū)域位于隧道進口端,B區(qū)域位于隧道出口端。

現(xiàn)場采集參數(shù)如下: 發(fā)射機型號為EMT6000,發(fā)射電壓為750 V,發(fā)射電流為9.86 A,接地電阻為76 Ω,發(fā)射基頻為25 Hz。接收機型號為SATEM40,采樣頻率為256 kHz,接收線圈有效面積為3 000 m2,發(fā)射機與接收機利用GPS信號同步。線源A總長度約2.1 km,距離A區(qū)域的飛行中心剖面約1.3 km; 線源B總長度約1.2 km,距離B區(qū)域的飛行中心剖面約1 km。數(shù)據(jù)采集過程中,在A區(qū)域和B區(qū)域分別布設12條測線,航線間距為10 m,無人機飛行海拔為550 m,飛行速度為8 m/s。

2.4 數(shù)據(jù)預處理

半航空瞬變電磁法是使用無人機拖曳著接收線圈在空中進行數(shù)據(jù)采集工作,相比于傳統(tǒng)的地面瞬變電磁法,觀測數(shù)據(jù)中的噪聲成分更為復雜。為提高野外數(shù)據(jù)質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)反演及解譯的合理性和準確度,需要對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理,包括天電噪聲去除、運動噪聲去除、數(shù)據(jù)疊加和時窗積分等,最后將處理后的數(shù)據(jù)進行視電阻率計算與成像,以此劃分電阻率異常區(qū)并進行地質(zhì)解釋[22-25]。數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4.1 天電噪聲去除

天電噪聲是自然界雷暴活動產(chǎn)生的電磁輻射對所采集電磁信號的干擾,在半航空數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出持續(xù)時間較短、信號強度較大的特點。天電噪聲數(shù)據(jù)如圖5所示。對于半航空瞬變電磁數(shù)據(jù),本文使用α-trimmed均值濾波器進行去噪。α-trimmed作為一種非線性滑動窗口濾波器,可以保證數(shù)據(jù)在完整性的前提下對原始數(shù)據(jù)的天電噪聲進行有效去除。α-trimmed均值濾波器計算原理示意如圖6所示。通過排序和修剪像素值來平滑圖像和減少噪聲。均值濾波器通過移動滑動窗口到每個像素位置,排序像素值并去除最低α/2和最高α/2的值,然后計算剩余像素值的平均值作為新值。這種方法能夠有效去除異常值和噪聲,保留圖像的細節(jié)和邊緣信息。并且,得益于濾波器的壓制“毛刺”作用,晚期數(shù)據(jù)中富含的隨機噪聲也得到了一定的壓制。此外,該濾波器還可以通過調(diào)整窗寬以及裁剪參數(shù)以適應不同測區(qū)的數(shù)據(jù),具有良好的適用性。

圖5 天電噪聲數(shù)據(jù)

圖6 α-trimmed均值濾波器計算原理示意圖

2.4.2 運動噪聲去除

在無人機飛行過程中,由于線圈的擺動、旋轉(zhuǎn)以及無人機移動等因素造成采集到的電磁信號會偏離應有的基準線,導致疊加數(shù)據(jù)在晚期最終衰減不為0。采集的數(shù)據(jù)由于運動噪聲的存在無法用于反演,因而必須對原始數(shù)據(jù)進行校正后才能進行疊加和積分計算,以此獲得合理的瞬變電磁衰減曲線[26]。運動噪聲去除可采用小波分解、多項式擬合等方法實現(xiàn)。考慮到半航空瞬變電磁采用的是純二次場數(shù)據(jù),為獲得良好的去噪效果,采用多項式擬合的方式去除運動噪聲。多項式擬合可以在單周期數(shù)據(jù)下獲取最能描述信號趨勢的方程表達式。由于運動噪聲的低頻分布特性,該信號趨勢包含了大部分的運動噪聲成分,選用最小二乘擬合方法對剔除主要有效信號后的數(shù)據(jù)進行擬合,獲取表達式后對所有數(shù)據(jù)點進行重采樣以消除每一數(shù)據(jù)點上的運動噪聲。原始數(shù)據(jù)與多項式擬合去噪結(jié)果對比如圖7所示。對比小波分解法,多項式擬合去噪策略在去除純二次場數(shù)據(jù)中的運動噪聲方面具有明顯的優(yōu)勢,其去噪結(jié)果足以滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理和解釋的要求,即針對半航空瞬變電磁純二次場數(shù)據(jù)運動噪聲的去除,分周期多項式擬合去噪方法是行之有效的,且去噪效果優(yōu)異。

黑色線段為原始數(shù)據(jù);紅色線段為基準線;藍色線段為使用分周期多項式擬合去噪方法處理后的數(shù)據(jù)。

2.4.3 數(shù)據(jù)疊加與時窗積分

半航空瞬變電磁數(shù)據(jù)可近似看作單點多次采集,多次數(shù)據(jù)采集的目的是后期進行數(shù)據(jù)疊加,從而壓制數(shù)據(jù)中含有的隨機噪聲。數(shù)據(jù)疊加是通過對采集到的多周期數(shù)據(jù)按照疊加原理實現(xiàn)的。時窗積分的目的是在時間道上獲得合理的瞬變電磁衰減曲線并進行數(shù)據(jù)處理。半航空瞬變電磁數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶需求選擇不同間距的時窗進行積分。本研究采用對數(shù)等間距時窗積分,參數(shù)設置根據(jù)實際采集參數(shù)設置進行確定,包括開始時間、結(jié)束時間以及積分時窗個數(shù)。

3 成像與解釋

本研究基于反函數(shù)定理求解單輻射場源半航空瞬變電磁法全域視電阻率,將均勻半空間模型的電阻率視為該時間道的視電阻率。視電阻率成像結(jié)果可以作為地下介質(zhì)電阻率分布的近似反映,相對于電磁法反演,視電阻率計算可以提供快速成像和近似解釋,在工程上較為適用。在視電阻率計算過程中同時考慮位置坐標、時間等各個參數(shù),視電阻率定義在時間上不分早晚、在距離上不分遠近。通過計算獲得全域視電阻率進行隧道探測區(qū)域三維視電阻率成像后,根據(jù)隧道線位高度進行不同高程的關鍵視電阻率水平切片提取。根據(jù)隧道左、右洞中軸線和邊線的經(jīng)緯度坐標進行視電阻率縱剖面圖提取,以初步了解隧道整體探測區(qū)域水平方向及縱向的電性分布、斷層推斷、地層劃分等地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

3.1 全域視電阻率計算

為獲取隧道沿線區(qū)域地下介質(zhì)的電性分布,需對采集到的數(shù)據(jù)進行視電阻率計算和成像,以提供較為合理的地質(zhì)解譯。

對于水平層狀介質(zhì),大地表面m個電性源在空中任一點處時間域磁場垂直分量響應的近似計算公式[11]為:

3.2 視電阻率成像

隧道整體三維視電阻率圖像如圖8所示。綜合本次半航空瞬變電磁勘探結(jié)果以及隧道設計標高,本次數(shù)據(jù)解釋選取了隧道中心位置的水平切片、隧道左洞中線及右洞中線縱剖面切片,進行相關地質(zhì)異常區(qū)推斷。

圖8 三維視電阻率圖像

隧道中心視電阻率水平切片如圖9所示。由于隧道出口和進口的設計標高差約53 m,單一標高處的水平視電阻率切片并不足以滿足地質(zhì)推斷的需要,根據(jù)隧道中心軸線坐標,提取隧道左、右線中心軸線視電阻率縱剖面(見圖10),作為水平切片地質(zhì)推斷的補充資料。

圖9 隧道中心視電阻率水平切片

(a) 右洞中線

由圖9可知: 1)隧道中段位置存在明顯的低阻異常,推測此區(qū)域巖溶較發(fā)育; 2)隧道進、出口均存在一定范圍的低阻異常,但對比圖10隧道中心軸線視電阻率縱剖面可以發(fā)現(xiàn),低阻異常僅存在于山體表層,因此推測該低阻區(qū)域為較厚的含水覆土層。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,隧道中段整體巖性較為破碎,可能存在較大的巖溶發(fā)育區(qū)。通過對圖8—10的結(jié)果和區(qū)域地質(zhì)資料進行綜合分析,繪制出水平切片和縱剖面地質(zhì)推斷圖(見圖11和圖12)。由圖11初步推斷,隧道中段存在1處大型巖溶發(fā)育區(qū),樁號為Z1K244+30～+260(Y1K244+60～+250),可能為山體的主要消水通道。由圖12初步推斷,隧道中段存在2處巖溶發(fā)育區(qū),樁號為Z1K243+250～+320(Y1K243+250～+280)和Z1K243+980～+040(Y1K244+000～+300)。

圖11 隧道中心視電阻率水平切片地質(zhì)推斷圖

(a) 右洞中線

3.3 隧道開挖驗證

在鳳凰2號隧道右線開挖過程中,在Y1K244+245處揭露1個溶洞,溶洞影響范圍為樁號Y1K244+245～+209。該溶洞揭露處掌子面位置埋深約79 m,溶洞向掌子面前方沿拱頂向上方發(fā)育,形狀為管道型,溶腔內(nèi)填充少量黃褐色黏土,掌子面處塌落物為含角礫石砂性土,與地表覆蓋層土壤成分相近。隧道開挖情況如表1所示。

3.4 探測結(jié)果綜合解釋

該溶洞揭露位置位于半航空瞬變電磁探測結(jié)果推斷的右線Y1K244+60～+250的低阻異常區(qū)內(nèi),且根據(jù)開挖情況得知,該段圍巖巖體較破碎,巖溶裂隙、溶蝕較發(fā)育,部分區(qū)域存在軟弱夾層,局部發(fā)育較大規(guī)模巖溶,圍巖整體穩(wěn)定性差。溶洞充填物為黏土,從現(xiàn)場開挖照片(見圖13)可以看出,充填物較為潮濕,電阻率較低,符合探測條件。從地形上來看,該溶洞位于山谷洼地區(qū)域,地表水易存儲且侵蝕灰?guī)r形成巖溶發(fā)育區(qū),雨季地表水易沿著巖溶裂隙進入隧道洞體,對隧道開挖造成嚴重安全隱患。

圖13 Y1K244+245處溶洞揭露情況現(xiàn)場照片

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1)根據(jù)探測結(jié)果推斷的低阻異常區(qū)域與樁號Y1K244+245處開挖揭露的溶洞位置高度吻合,避免了在隧道施工過程中因隱伏巖溶災害導致的人員傷亡和財產(chǎn)損失,也進一步驗證了半航空瞬變電磁法在巖溶地區(qū)的適用性、有效性和準確性。

2)通過基于α-trimmed均值濾波方法的天電噪聲去除和基于多項式擬合的運動噪聲去除,能夠在噪聲去除過程中保留主要的有效數(shù)據(jù),并有效提高原始數(shù)據(jù)的信噪比。

3)對原始數(shù)據(jù)進行全域視電阻率計算和成像,能夠提高探測結(jié)果的精度和分辨率,同時滿足了大批量數(shù)據(jù)處理和解譯工作的需求。

4)作為一種新型地球物理勘察方法,半航空瞬變電磁法具有工作效率高、采集靈活、探測深度大等特點,為復雜地形隧道勘察提供了新思路。

5)該方法可以填補因地形限制導致的勘察資料缺失,并根據(jù)探測結(jié)果劃定風險分區(qū),進而指導施工方案的制定和調(diào)整。

4.2 討論

1)在數(shù)據(jù)預處理方面,需要通過具體標準合理評估數(shù)據(jù)質(zhì)量,定義具體標準則需要結(jié)合觀測數(shù)據(jù)的特征。

2)為了獲得能夠近似反映探測區(qū)域地下電阻率真實分布情況的結(jié)果,在對視電阻率計算與成像時,需要結(jié)合當?shù)貙嶋H地質(zhì)資料或鉆探結(jié)果進行深度校正。

3)巖溶發(fā)育區(qū)是一種極為復雜的地質(zhì)異常體,由于探測過程中影響因素多,且部分影響因素難以有效獲取和評價,采用半航空瞬變電磁法針對復雜地形巖溶山區(qū)隧道的隱伏災害探測已被證明是有效的,但要想提高探測精度和準確率,還需要結(jié)合水文地質(zhì)、隧道開挖、儀器電磁干擾、數(shù)據(jù)成像和解釋等方面進一步進行綜合研究。