地空时频域电磁法在云南某隧道勘察中的应用研究
时间：2023-03-04 12:50:03 来源：千叶帆 本文已影响人
单玉孟， 魏海民， 严绍明， 袁 刚， 史永杰， 王世宏
(1.云南临云高速公路有限公司， 云南 临沧 675800；
2.云南航天工程物探检测股份有限公司, 昆明 650217；
3.临沧市公路工程质量监督站， 云南 临沧 675800)
中国西南地区地质条件复杂，受地块挤压、地震活动等产生的断裂带较发育[1]，加之地下水丰富，故在碳酸盐岩地区发育有丰富的岩溶[2]，大多岩溶含水、含泥，广泛发育的断裂带也会成为导水构造，因此在隧道施工中很容易遇到涌水、突泥等地质灾害，严重影响隧道施工安全及进度，有必要在隧道开挖前探明隧道周围岩溶发育情况，为隧道施工安全防护提供技术支撑。目前对于隧道岩溶的地球物理勘查手段主要以地表的电法类和洞内弹性波法、地质雷达探测为主[3-4]，地表电法受地形影响在许多线路途径区域难以开展[5-6]，工作效率低。洞内探测深度浅，且在隧道开挖前无法开展[7]。而钻探工程施工成本高，对孔周信息获取有限，且不够绿色环保[8-9]。因此有必要针对隧道岩溶开展大深度、高效率的地空电磁法探测。本文选择云南省某公路交通隧道，在开展地质调查和地球物理特征统计的基础上，利用地空时频域电磁法探明隧道沿线的断裂破碎带、岩溶等不良地质，为隧道安全施工提供依据，同时也为复杂地形地区的岩溶、断裂破碎带的高效率勘查提供可借鉴的技术手段。
1.1 地层及主要岩性
表1 沿线地层主要岩性
1.2 构造及水文地质
据现场调查及工勘资料，测区沿隧道轴线为郑家沟向斜(图1)，核部地层为三叠系下统嘉陵江组下段(T1j1)，向两翼依次为三叠系下统大冶组(T1d)、二叠系上统吴家坪组和大隆组(P3w+d)、中统茅口组(P2m)、中统孤峰组(P2g)、中统梁山组和栖霞组(P2l+q)、志留系中统纱帽组(S2s)、下统罗惹坪组(S1lr)。该向斜轴走向北西，两翼近似对称，两翼地层倾角地表较缓、深部较陡、局部近直立。
根据区域资料分析，测区存在隐伏断裂破碎带(F23)，该断层在隧道的东南侧郑家沟向斜轴附近出露，并与向斜轴近于平行，与附近其他区域性大断层产状近一致，为走向北西陡倾断层，按此延伸，F23与隧道轴线相交于桩号K64+250(地表)，如图1所示。
图1 测区地质及物探测线布置
区内主要含水层为碳酸盐岩含水层，三叠系下统嘉陵江组下段(T1j1)和大冶组中厚层灰岩、白云岩和二叠系上统吴家坪组(P3w)、中统茅口组(P2m)、中统栖霞组(P2q)中厚层灰岩组成，该类含水层(组)岩溶发育，地表岩溶发育，出露众多落水洞、漏斗、竖井、溶洞、暗河等岩溶现象，富水性、透水性强。二叠系上统大隆组(P3d)、中统梁山组(P2l)薄层-中厚层泥质灰岩、灰岩夹薄层状页岩、黏土岩、粉砂岩、砂岩等组成。该含水层(组)受构造发育影响多数岩溶发育，地表落水洞、竖井、漏斗、溶洞等，暗河等岩溶现象中等发育，富水性中等，局部受构造及地形地貌影响富水性较强，透水性中等-较好，如图1所示。
1.3 地球物理特征
对测区内的主要岩性的电阻率进行测定，每类岩性取样30～40块，测定后计算算数平均值，得到每类岩性的电阻率平均值，见表2。由各类岩石的电阻率测定统计结果可知，断层泥的电阻率(<100 Ω·m)极低，黏土岩、炭质页岩、粉砂质页岩、灰质页岩、粉砂岩的电阻率一般介于102～103Ω·m，泥质灰岩、石英砂岩、白云岩、白云质灰岩的电阻率一般介于103～104Ω·m，而一般溶洞水的电阻率小于100 Ω·m，不含水溶洞或空洞[12]的电阻率一般大于104Ω·m。由此可见，第四系覆盖层、岩溶富水区、溶洞(充填水或充填黄泥)、暗河、断层破碎带与围岩之间存在明显的电阻率差异，因此在本区内开展地空时频域电磁法探测隧道岩溶具备地球物理基础。
表2 主要岩性的电阻率平均值
2.1 地空时频域电磁法探测原理
该系统以超大功率的电性源发射作为激励场源，发射信号的波形包括正负交替方波、占空比可调的矩形波及伪随机信号波形等[10]，频率可根据需要调整。利用发射电极深部接地技术，采用高纯度铜线降低发射电极线的电阻，以及接地耦合匹配技术，达到极低的接地电阻，实现超大电流发射；
利用双源多频伪随机波实现时频同时发射以及多个应用频点的一次全覆盖[11]。隧道区域受人工源电磁场的激发，会感应出二次场，并随地质体变化而变化。通过无人机吊载时、频域电磁采集系统观测隧道上方空中的二次场或磁场信号，通过电阻率成像可获取与地下电性结构相关的信息，工作原理示意图如图2所示。
图2 地空时频域电磁法原理示意图
2.2 测线布置
结合隧道设计线路，布设地空时频域电磁法测线，其中源线1条，长度1 km；
A、B极分别布置极坑9个，每个极坑长1.5 m、宽1.5 m、深0.5 m，9个极坑之间并联连接；
共布置5条测线(L1～L5)，测线方向为近南北向，各测线长度1.3 km(ZK63+200～ZK64+500)，L2线与隧道左线位置重合，L3线与隧道右线位置重合，L1线与L2线平行，线距50 m，位于隧道左幅东侧，L4、L5线与L3线平行，距离L3垂距分别为50 m和100 m，位于隧道右幅西侧。测线布置如图1中黑色粗实线所示。
数据采集中供电电流大小为30 A，采集频率设置4个频组(20个频点)，见表3。
表3 采集频率
实测资料通过自编MATLAB程序进行了数据处理和反演，流程如图3所示。主要反演参数为：横向反演网格20 m，背景电阻率为100 Ω·m，误差门限设置为5%，最大迭代次数为100次，纵横向光滑因子定为1。
图3 数据处理流程
图4给出了反演之后的视电阻率(ρs)剖面图，图中黄、红色区域为相对中高阻区，代表岩体相对致密，完整性好，含水量小；
绿、蓝色区域为相对低阻区，代表岩体含水、松散破碎；
视电阻率分布不均的，表示岩体物性差异大，推测岩体构造发育，松散破碎；
视电阻率横向分布均匀，表示岩体物性均一。
图4 物探纵剖面图
左幅(L2测线)ZK63+200～ZK63+300段，长100 m，穿过纱帽组(S2s)、梁山组(P2l)、栖霞组(P2q)地层，主要岩性为砂岩、页岩、页岩、灰岩，岩层中风化，为较硬岩夹软岩，岩体较破碎。围岩视电阻率中等，该段为可溶岩与非可溶岩接触部位，推测在隧道开挖过程中易出现淋雨状、股流状出水，为较严重不良地质段。
ZK63+300～ZK64+000段，长700 m，穿过栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)、孤峰组(P2g)、吴家坪组(P3w)、大隆组(P3d)、大冶组(T1d)地层，主要岩性为灰岩、黏土岩、炭质页岩夹煤线，强-中风化，为较硬岩夹软岩，岩体破碎。围岩视电阻率呈低阻特征，推测岩溶强发育，富水性强，隧道开挖过程中易出现淋雨状、股流状出水，局部易发生涌水、突水、突泥等，为严重不良地质段。
ZK64+000～ZK64+500段，长500 m，穿过大冶组(T1d)、大隆组(P3d)、吴家坪组(P3w)、孤峰组(P2g)、茅口组(P2m)、栖霞组(P2q)地层，主要岩性为灰岩、泥质灰岩、黏土岩、页岩，强-中风化，为较硬岩夹软岩，岩体较破碎。围岩视电阻率中等，局部偏低，推测岩溶较发育，富水性较强，隧道开挖过程中易出现淋雨状、股流状出水，为较严重不良地质段。其中ZK64+180～ZK64+280段穿过隐伏导水断层(F23)，断层破碎带宽60～80 m，倾角近90°，受该隐伏导水断层影响，该段在开挖时可能会受到突泥涌水等影响。
右幅(L3测线)与左幅(L2测线)类似，只是岩溶强富水区分布区域略有差异，左幅ZK63+300～ZK64+000段穿过岩溶强富水区，而右幅K63+200～K63+800段穿过岩溶强富水区。
对反演结果进行三维成像，如图5所示。结合5条剖面的视电阻率剖面对比分析可知，地空电磁对作业区内的岩溶反应敏感，5条测线所得出的岩溶空间形态大体一致，向南穿过陡倾断层F23，地表调查发现该断层处有落水洞出露，推测该断层受地表水影响为导水构造，在1 200～1 400 m标高处与岩溶相交，加之地下水影响，岩溶富水性强，向北往深部发展，体积变大。
图5 岩溶富水区三维成像
通过利用地空时频域电磁法对云南某公路隧道的岩溶勘察结果分析，可以得出以下结论：
1)基于作业区地球物理基础，利用地空时频域电磁法对低阻体更敏感的特点，快速获取了地下介质的三维电磁响应并进行三维建模和成像，直观展示了碳酸盐岩地区隧道沿线的岩溶、断裂破碎带及富水区等不良地质的空间分布，为隧道安全施工提供了科学依据。
2)地空时频域电磁法不受地表地形影响，可在勘探盲区进行测量。工作效率较地面瞬变电磁法相比提高了10倍以上，有效探测深度可达1 500 m，分辨率提高了50%。
3)在不同作业区的探测结果与实际地质吻合较好，结合方法的技术优势，预期未来在复杂地形条件下的工程建设、矿产勘查等领域可得到较好的推广应用。
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