半航空瞬變電磁法在巖溶隧道勘察中的應用研究

劉 東,張諾亞,姚宇洪,李彩曉,孫懷鳳

(1.廣西交通投資集團有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西龍馬高速公路有限公司,廣西 南寧 530022;3.山東大學,山東 濟南 250061)

0 引言

近年來,我國基礎設施建設逐漸向中西部推進,對公路等交通樞紐建設提出了新的更高要求。廣西是我國巖溶分布范圍最廣的省區之一[1],在此類地形條件下修建的公路鐵路,其橋隧比極高,地形條件惡劣,傳統的地面物探和鉆探手段難以實施,缺乏可用的地質資料[2]。特別是當隧道穿越巖溶發育區、斷層破碎帶以及地下暗河等地質區域時,極有可能誘發隧道塌方、地面塌陷以及突水突泥等重大安全事故[3-4]。復雜地形區域隧道的工程勘察、地質調查等是公認的國際難題。

半航空瞬變電磁法(Semi-airborne Transient Electromagnetic,簡稱SATEM)采用地面發射、空中接收的非緊湊式觀測模式,具有對低阻體敏感、靈活高效、一次性覆蓋面極廣、成本低廉等優勢[5-8]。近年來,隨著無人機技術的不斷革新,半航空瞬變電磁法的技術潛力也逐漸凸顯,作為一種應對復雜地形的有效勘探手段,已在水文地質、礦產、隧道勘察等領域獲得廣泛應用[9-12]。

嵇艷鞠等[13]利用BP神經網絡對電性源半航空瞬變電磁數據進行電阻率反演成像研究。李貅等[14]研究了電性源半航空瞬變電磁逆合成孔徑成像方法。張瑩瑩等[15-16]定義了單輻射場源和多輻射場源電性源半航空瞬變電磁全域視電阻率,并根據等效導電平面原理,討論了多場源下半航空瞬變電磁法的快速成像方法。Feng等[17]提出了基于CFS-PML的CNCSU-FDTD三維半航空瞬變電磁正演方法。Qi等[18]提出了接地導線源半航空瞬變電磁y分量磁場的全域視電阻率定義。李雪峰等[19]研究了多接地源下半航空瞬變電磁響應規律研究。隨著SATEM理論和方法研究的不斷發展,地球物理學家運用該方法開展了多項試驗應用,在2014年舉辦的EMIW會議上,Sun等[20]重點介紹了基于飛艇的半航空瞬變電磁試驗。劉富波等[21]利用EEMD方法有效去除運動噪聲,并且成功在蓮花山鐵礦區開展了探測試驗。宿傳璽[22]以廣西巖溶地區為背景,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律和試驗研究。文獻[2]研究了不同接收參數下半航空瞬變電磁的響應規律,并將該方法成功應用至廣西賀州至巴馬高速公路達墨隧道工程。文獻[8]分析定義了半航空瞬變電磁法中橫向分量和縱向分量的成像深度,并研究了成像深度受飛行高度、發射磁矩、偏移距、偏移角度的影響。田忠斌等[23]利用半航空瞬變電磁法,對山西省沁水煤田的未知采空區進行快速?厲精確探測。文獻[7]將半航空瞬變電磁法成功應用于廣西達墨隧道的勘察工作,探測結果與圍巖開挖情況高度吻合,并指導了該隧道的圍巖分級。

綜上所述,半航空瞬變電磁法作為一種新型的地球物理勘探方法在理論方法和試驗應用上都取得了顯著的應用成果,克服了復雜地形條件無可用地球物理勘察技術的難題。天峨—巴馬高速公路(簡稱天巴路)沿線位于山區丘陵地帶、地形險峻、工程設計難度大、施工過程難點多,物探、鉆探數據匱乏。為填補設計及施工階段地球物理勘察資料空白,本文利用半航空瞬變電磁法應用于天巴路全線的隧道勘察工作,旨在利用探測結果指導隧道安全施工、及時規避風險段,并成功預測了多處巖溶高風險區域,巖溶揭露與探測結果吻合度高達85%,極大地避免了人員傷亡和財產損失,為天巴路安全建設和順利貫通保駕護航。

1 研究區概況

擬建天峨至北海公路天峨經鳳山至巴馬段路線起于河池市天峨縣北東側,與平塘至天峨高速公路相接,總體走向南北向。天巴路橋隧占主線全長66.64%,隧道占主線全長的47.36%,短隧道6 657 m/19座,中隧道10 568.5 m/15座,長隧道21 248.5 m/13座,還有特長隧道11 105 m/3座。

天巴路沿線多位于山地丘陵地帶,其地勢復雜、工程設計難度大、施工過程難點多。工區內屬巖溶峰叢洼地地貌。隧址區內的山體多為侵蝕切割較強烈,地形連綿起伏,山腳處多發育充填型溶孔、溝槽、洼地等巖溶地貌。根據物探、鉆探及地質調查結果,隧址區地層主要為第四系殘坡積層(Qel+dl)、二疊系下統茅口組(P1m)、二疊系下統棲霞組(P1q)及石炭系上統馬平組(C3m)地層。隧道所穿越山體巖性主要為灰巖,區域節理裂隙發育。區內灰巖地層易發育巖溶,當溶洞中充填水或沉積物,則相對圍巖為低阻體,可至幾十歐姆米,甚至更低。半航空瞬變電磁法正是以低電阻率特征為勘探目標,富水巖溶與圍巖的電阻率差異特征為地球物理勘探提供了基礎和前提。

天巴路沿線高風險隧道居多,據早期地質資料顯示,在砦牙1號隧道、勤蘭隧道沿線的巖溶分布最為集中和復雜,且地形極其復雜,均未開展鉆探和物探工作,缺乏可用的勘察資料。其中,砦牙1號隧道位于鳳山縣砦牙鄉弄樓屯,設計長度為1 755.00 m,在線位ZK37+400左120 m及ZK38+300左50 m各存在一高位巖溶洼地,ZK37+670～ZK37+875段周邊溶蝕裂隙發育。勤蘭隧道位于巴馬縣勤蘭村,設計長度為5 322.00 m,隧道出口處發育有大型的巖溶洼地,低洼地段發育有泉眼、落水洞等。由于砦牙1號隧道和勤蘭隧道均穿越了大量山體,缺乏物探和鉆探資料,給隧道施工帶來了巨大的風險和隱患,隧道周邊的多處巖溶發育區也暗示了隧道線位處存在隱伏溶洞的可能性極高,因此亟須對兩條隧道開展半航空瞬變電磁探測,在施工前期對潛在巖溶風險進行探測和評估。

2 半航空瞬變電磁探測

2.1 半航空瞬變電磁基本原理

半航空瞬變電磁的基本原理為將發射裝置和接地長導線源布設于較為平坦的地面,然后發射機向發射天線供入雙極性方波電流,電流通過導線傳入地下,在大地中形成渦旋電流,進而產生二次感應磁場;無人機攜帶接收裝置在目標體上方連續采集電磁信號,通過對地下目標成像得到地下電阻率分布,進而探查地下圍巖的電性、規模和產狀(見圖1)。特別是對于巖溶、含水斷層等這類低阻異常體,半航空瞬變電磁法具有較好的分辨率[24]。

圖1 半航空瞬變電磁基本原理示意圖

2.2 測區工作設計

半航空瞬變電磁基本工作流程如圖2所示,包括野外數據采集和數據處理與解釋。其中,野外數據采集的發射源設計運用了Chen等[25]提出的最優探測區域設計公式以確定源的長度和其與隧道線位之間的位置關系,保證足夠的探測深度,發射線源與隧道線位近似平行布設,偏移距約為1～1.2 km。接收端航線設計需覆蓋整個區域,走向平行于隧道線位,航線一般為10 m,重點區域可進行適當加密。

圖2 半航空瞬變電磁探測基本流程圖

砦牙1號隧道和勤蘭隧道探測區域設計如圖3、圖4所示。砦牙1號隧址區內共規劃6條U型航線,測線長度約為3 150 m,測線間距為10 m,地面發射源長度為1 117 m。勤蘭隧道共規劃4個區塊進行探測,區域航線數量為24條,A、B、C、D區域對應的航線長度分別為3 360 m、2 330 m、2 330 m、3 100 m,飛行速度設置為10 m/s;設計三條發射源,長度分別為1 755 m、1 537 m、1 793 m?，F場試驗的飛行高度選擇高于測區地形最高海拔處100～200 m。

圖3 砦牙1號隧道半航空瞬變電磁探測區域設計示意圖

圖4 勤蘭隧道半航空瞬變電磁探測區域設計示意圖

研究區探測所用的儀器包括接收系統和發射系統。其中,接收系統為山東大學自研的半航空瞬變電磁接收線圈、接收機,無人機采用大疆的M600 PRO旋翼無人機;發射系統采用EMT6000電磁發射機和HJD25000T發電機。發射系統最大發射電壓為750 V,發射電流約為10～30 A,接收系統采集頻率為256 kHz。

2.3 數據處理與解釋

在數據處理與解釋階段,需要對探測數據進行數據質量評估和數據預處理,利用使用α-trimmed均值濾波器進行天電噪聲去噪,利用Sun等[26]提出的多項式擬合法去除運動噪聲,然后進行疊加與抽道后獲得常規瞬變電磁的衰減曲線,用于電阻率成像與解釋。最終對探測結果進行三維視電阻率成圖,結合地質資料和現場已開挖情況進行綜合分析解釋,進而推斷出可能的隧道風險源的位置及規模,用于指導設計與施工。

3 探測結果分析

本研究在天巴路19條巖溶高風險隧道開展了應用研究,共計完成了174條航線、約30 km的隧道探測工作,并取得了良好的探測成果,成功揭露21處大型地下巖溶,巖溶區樁號位置與半航空瞬變電磁探測結果高度吻合,準確率高達85%。其中,砦牙1號隧道和勤蘭隧道屬于低阻異常區較為密集,揭露巖溶發育區最多,也是施工風險最高的兩條隧道,詳細的探測結果和開挖驗證如下。

3.1 砦牙1號隧道

如圖5所示,根據現場SATEM探測結果,隧道左線在ZK37+357～ZK37+410、ZK37+715～ZK37+810、ZK38+150～ZK38+360段存在3處低阻異常區。其中樁號ZK37+715～ZK37+810段存在的低阻異常區域,與前期物探資料中所述ZK37+670～ZK37+875段溶蝕裂隙發育、巖體破碎的地質現象吻合;ZK38+150～ZK38+360段存在的低阻異常區域與地質資料中ZK38+300左側50m處存在的巖溶洼地的位置相吻合,推斷該巖溶發育區與地表溶蝕洼地通過落水洞連通,雨季地表雨水易沿該通道滲入洞體,該巖溶區起到了雨季消水的作用。隧道右線在樁號K37+160～K37+300、K38+360～K38+420段存在低阻異常區,樁號K37+880～K37+915、K38+000～K38+025段存在垂直低阻異常帶,推斷該處為垂直型巖溶裂隙通道。其中K37+880～K37+915段與前期物探資料中所述K37+677～K37+890段溶蝕裂隙發育、巖體破碎的地質現象吻合,推斷該處垂直低阻異常帶可能與地表溶蝕洼地或者溶蝕裂隙連通,雨季地表雨水易沿該通道滲入洞體。

(a)隧道左洞視電阻率剖面

砦牙1號隧道尚未開挖完成,目前共揭露4處大型巖溶,揭露位置均與半航空瞬變電磁探測結果高度吻合,詳細描述如下:

(1)隧道右線K38+175處掌子面右側揭露出一處廳堂式溶洞,無填充,掌子面圍巖為中風化灰巖,巖質較堅硬,巖體較完整,洞壁有水浸痕跡,有明顯的巖溶裂隙通道且通道壁濕潤。半航空瞬變電磁橫縱剖面的探測結果在此溶洞處有明顯的低阻異常反應,異常區呈長條狀且向上延伸至地表洼地。

(2)隧道右線K38+255處揭露一溶洞,溶洞向地表以下發育約200 m,地表以上發育約30 m,左右寬約10 m,向掌子面掘進方向發育約10 m,洞頂有滴水。此溶洞揭露位置恰巧位于半航空瞬變電磁探測顯示的低阻異常區的邊界處,該低阻區向上發育且與山頂洼地的覆蓋層的低阻區連為一體,雨季也易出現洼地內地表水沿垂直巖溶裂隙滲入洞內的情況,易引起拱頂和拱腰滲水或失穩的安全問題。

(3)左線ZK38+412處掌子面正前方揭露一大型溶洞,該溶洞縱向長約26 m,高約23 m,距隧底深約32～36 m,右側寬約5 m,左側寬約8 m,隧道從其左上角穿越,縱向約有25 m左右暴露在溶腔中,溶洞內無填充物。溶洞揭露位置與半航空瞬變電磁探測顯示的低阻區異常吻合,且該溶洞頂部存在狹長的垂向通道向上延伸,與探測結果認為此處巖溶與地表洼地存在連通的推斷相吻合。

3.2 勤蘭隧道

根據圖6的探測結果,勤蘭隧道沿線低阻異常較多,整體施工風險較大,存在K86+440～K87+850、K88+570～K89+750、K90+070～K91+300三處明顯的低阻異常段,均位于隧道設計高程附近,推斷有溶洞或垂直巖溶裂隙發育。目前勤蘭隧道還未開挖完成,根據現場開挖結果,典型巖溶揭露與探測結果對比如下:

(a)隧道左洞視電阻率剖面

(1)左線ZK86+556處掌子面正前方揭露大型溶洞,中間有滲水,掌子面主要為潮濕狀態的土質,左側邊墻為基巖;右線K86+576掌子面左側,拱頂至左拱腳有一充填型溶洞,根據超前水平鉆探報告左側15 m范圍為溶洞填充淤泥。上述溶洞皆與此前在ZK86+440～ZK86+850段探測結果中明顯的低阻異常區高度吻合,且此段異常區位于山頂洼地處,具備巖溶發育條件。

(2)進口右洞掌子面掘進至K87+603處時,揭露大型溶洞,初步推測為落水溶洞,與地表洼地相連,掌子面中間底部存在2～3 m寬巖溶裂隙,縱向長目測20 m以上,與左側大溶洞相連。此溶洞揭露位置與此前探測的K86+440～K86+850段低阻區異常吻合,且該溶洞位于山體洼地處,屬于典型的地表巖溶匯水區,特別是雨季地表水易沿垂直裂隙滲入洞內,隧道施工中拱頂和拱腰處存在滲水或坍塌的安全隱患。

綜上所述,砦牙1號隧道和勤蘭隧道揭露的溶洞與半航空瞬變電磁法的探測結果高度吻合,成功預測了多個大型溶洞,證實了該方法在復雜地形下巖溶勘察的可行性和準確性,可有效獲取地下巖溶等災害源的電磁響應規律。目前,依托SATEM探測結果,現場施工人員已提早制定預案并成功穿越這幾處高風險段,并且指導施工階段的圍巖分級,極大地提高了施工效率,規避了人員和財產的損失。

4 結語

本文以廣西天峨—巴馬高速公路全線隧道為例,利用半航空瞬變電磁法在全線19條隧道開展探測工作,成功探測了21處巖溶區域,通過對半航空瞬變電磁數據的處理與分析,可得出如下結論:(1)半航空瞬變電磁法適用于復雜地形條件的隧道勘察,能夠有效識別巖溶等低阻常體,探測結果與揭露的溶洞高度吻合;(2)半航空瞬變電磁法為隧道設計和施工提供了較為可靠的勘察資料,也為隧道圍巖分級和風險區劃分提供了指導依據。

作為一種新型的地球物理勘察手段,半航空瞬變電磁法在復雜地形區域內隧道勘察領域具有較高工程應用價值,未來有望在礦產勘察、水文地質調查、環境調查等領域開展更廣泛的應用。