瞬變電磁儀在隧道斷層賦水探測(cè)中的應(yīng)用研究

安邦超

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

瞬變電磁法(transient electromagnetic method,TEM)屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法[1]。其工作方法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)(按指數(shù)規(guī)律衰減)。按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U(t)，就得到了二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線，用發(fā)射電流歸一化后成為U(t)/I特性曲線。二次場(chǎng)的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體的感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較慢，二次場(chǎng)電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快，二次場(chǎng)電壓較小。根據(jù)二次場(chǎng)衰減的特征，可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，從而可以解決如斷層、溶洞等地質(zhì)問題[2-5]。

1 工程概況

貴州省六(六盤水)威(威寧)線第LWTJ7土建標(biāo)段玉舍隧道洞身中部里程樁號(hào) TZK18+020(TYK18+038)處發(fā)育區(qū)域性平移斷層 F，隧道兩盤地層均為侏羅系中下統(tǒng)砂泥巖地層，斷層破碎帶寬約40 m、影響帶寬約200 m(TZK18+100-TZK18+075，長(zhǎng) 210.336 m，TYK18+150-TYK18+096，長(zhǎng)199.012 m，中間有斷鏈)；因受構(gòu)造擠壓，巖體極破碎至破碎、泥質(zhì)膠結(jié)、透水性強(qiáng)。為初步探明F斷層破碎帶、影響帶巖體賦水情況，決定對(duì)F斷層隧道通過段進(jìn)行地表瞬變電磁法物探。

玉舍隧道F斷層隧道通過段縱穿兩高山鞍部相接地帶，屬剝蝕中山地貌單元；隧道左右幅洞軸線通過段地形起伏較大，山間常流水溪溝發(fā)育，喬木、灌木茂密及荊棘叢生，物探測(cè)線布設(shè)困難；TYK18+170-TYK18+027段右側(cè) 20～100 m范圍內(nèi)耕植地相連成片、地形平緩，殘坡積土層厚、基巖局部裸露，該處物探場(chǎng)地規(guī)整、條件良好。

圖1 地表瞬變電磁法物探段定位圖

2 測(cè)線布置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地貌地形條件、隧道洞軸線走向及斷層位置等情況，于玉舍隧道右幅TYK18+170-TYK18+027段右側(cè) 20～100 m范圍布置物探測(cè)線，測(cè)線編號(hào)為1-1′，由小樁號(hào)向大樁號(hào)方向探測(cè)長(zhǎng)度約110 m；本次探測(cè)采用由澳大利亞制造的terraTEM進(jìn)行地表物探，采用中心回線裝置采集數(shù)據(jù)，點(diǎn)距10 m，發(fā)射天線為邊長(zhǎng)45 m×45 m 的自制單匝回線，接收回線面積約1 000 m2，發(fā)射周期為40 ms，發(fā)射電流10 A，疊加次數(shù)32；探測(cè)最大深度約150 m，見圖2～圖5。

圖2 terraTEM瞬變電磁儀主機(jī)照

圖3 terraTEM瞬變電磁儀接受器照

圖4 terraTEM瞬變電磁儀回線布設(shè)照

圖5 terraTEM瞬變電磁儀現(xiàn)場(chǎng)采集照

3 數(shù)據(jù)處理及分析

電磁法數(shù)據(jù)經(jīng)微機(jī)配套軟件除噪、處理及成圖后，具體生成1-1′測(cè)線視電阻率反演色度圖與1-1′視電阻率等值線圖，見圖6、圖7。對(duì)于瞬變電磁法成果圖7中TYK18+190-TYK18+250段0～150 m深度范圍內(nèi)低阻異常帶，結(jié)合地表地形及地表水情況、地層結(jié)構(gòu)、地下水發(fā)育情況、F 斷層位置及性質(zhì)等因素綜合分析，推測(cè)1區(qū)為含水型斷層破碎帶、斷層影響帶，斷層破碎帶富水，且斷層破碎帶內(nèi)圍巖完整程度伴隨深度加深變差、水體含量遞增；結(jié)合玉舍隧道設(shè)計(jì)說明，區(qū)域性平移斷層F隧道通過段兩盤地層均為侏羅系中下統(tǒng)(J1+2)砂泥巖地層，斷層破碎帶寬約40 m、影響帶寬約200 m(TZK18+100-TZK18+075，長(zhǎng)210.336 m，TYK18+150-TYK18+096，長(zhǎng)199.012 m，中間有斷鏈)；2區(qū)斷層破碎帶構(gòu)造擠壓作用強(qiáng)烈，巖體極破碎至破碎、泥質(zhì)膠結(jié)、透水性強(qiáng)，推測(cè)可能出現(xiàn)規(guī)模性涌水段主要為斷層破碎帶，建議加強(qiáng)支護(hù)措施。

圖6 1-1′測(cè)線視電阻率反演色度圖

圖7 1-1′測(cè)線視電阻率等值線圖

4 瞬變電磁儀探測(cè)結(jié)果應(yīng)用

4.1 與隧道開挖揭示地層對(duì)比

當(dāng)隧道施工至TYK18+000段時(shí)進(jìn)入斷層影響范圍，隧道開挖揭示隧道斷層影響段的地質(zhì)情況為：圍巖為中風(fēng)化層及強(qiáng)風(fēng)化泥巖，局部夾砂巖，本段巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，薄至中厚層塊狀構(gòu)造，有覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水，雨季呈淋雨?duì)畛鏊?，隧道開挖無支護(hù)時(shí)受震動(dòng)后易產(chǎn)生塌方冒頂，且由于下伏基巖為軟質(zhì)巖，抗風(fēng)化能力弱。

隧道開挖揭示地層與瞬變電磁儀探測(cè)結(jié)果基本一致，顯示出瞬變電磁儀探測(cè)在隧道斷層賦水情況時(shí)的準(zhǔn)確性。

4.2 在隧道支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

TYK18+170-TYK18+027段原設(shè)計(jì)采用S-Vc支護(hù)。具體參數(shù)為：超前支護(hù)為直徑42 mm、壁厚4 mm超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.0 m，間距40 cm×240 cm(環(huán)向×縱向)，每循環(huán)33根，初期支護(hù)采用I18型鋼拱架(間距80 cm)，直徑6.5 mm鋼筋網(wǎng)(間距20 cm×20 cm)，24 cm厚C20噴射混凝土，直徑25 mm中空注漿錨桿(長(zhǎng)3.5 m，間距為80 cm×120 cm)，二次襯砌為45 cm厚C30素混凝土，隧道采用預(yù)留核心土法開挖。

在經(jīng)過瞬變電磁儀探測(cè)后，將設(shè)計(jì)進(jìn)行加強(qiáng)并采取了相應(yīng)的排水措施，變更后的設(shè)計(jì)為：按S-Ta襯砌施工，具體參數(shù)為：超前支護(hù)為直徑108 mm、壁厚6 mm大管棚，長(zhǎng)15.0 m，間距40 cm×150 cm(環(huán)向×縱向)，每循環(huán)40根，初期支護(hù)采用I20型鋼拱架(距50 cm)，直徑6.5 mm鋼筋網(wǎng)(間距20 cm×20 cm，雙層)，28 cm厚C20噴射混凝土，拱頂斜向鋼花管直徑42 mm、壁厚4 mm(長(zhǎng)4.5 m，環(huán)向×縱向間距為50 cm×50 cm。排水加密，環(huán)向排水管采用直徑200 mm半圓排水管，1組/3 m，1組3根，排入初支擴(kuò)挖檢查井，再采用橫向?qū)苤睆?00 mm雙壁打孔波紋管，1組/3 m，1組3根排入中心排水溝。

5 結(jié)語

本文以六威高速玉舍隧道為依托，開展了瞬變電磁儀在隧道斷層賦水地帶的探測(cè)試驗(yàn)及其成果應(yīng)用研究并得到如下結(jié)論。

1) 斷層破碎帶構(gòu)造擠壓作用強(qiáng)烈，巖體極破碎至破碎、泥質(zhì)膠結(jié)、透水性強(qiáng)，推測(cè)可能出現(xiàn)規(guī)模性涌水段主要為斷層破碎帶，建議加強(qiáng)支護(hù)措施。

2) 通過與隧道開挖揭示地層對(duì)比可知隧道開挖揭示地層與瞬變電磁儀探測(cè)結(jié)果基本一致，顯示出瞬變電磁儀探測(cè)在深埋隧道斷層賦水情況時(shí)的準(zhǔn)確性。

瞬變電磁儀在隧道斷層賦水地帶的探測(cè)試驗(yàn)，為隧道斷層影響段的支護(hù)設(shè)計(jì)變更提供了時(shí)間，減小了在隧道施工過程中發(fā)生災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)，也體現(xiàn)了瞬變電磁儀在深埋隧道賦水?dāng)鄬游锾降膬?yōu)越性。