半航空瞬变电磁法在岩溶隧道勘察中的应用研究

刘 东,张诺亚,姚宇洪,李彩晓,孙怀凤

(1.广西交通投资集团有限公司,广西 南宁 530022;2.广西龙马高速公路有限公司,广西 南宁 530022;3.山东大学,山东 济南 250061)

0 引言

近年来,我国基础设施建设逐渐向中西部推进,对公路等交通枢纽建设提出了新的更高要求。广西是我国岩溶分布范围最广的省区之一[1],在此类地形条件下修建的公路铁路,其桥隧比极高,地形条件恶劣,传统的地面物探和钻探手段难以实施,缺乏可用的地质资料[2]。特别是当隧道穿越岩溶发育区、断层破碎带以及地下暗河等地质区域时,极有可能诱发隧道塌方、地面塌陷以及突水突泥等重大安全事故[3-4]。复杂地形区域隧道的工程勘察、地质调查等是公认的国际难题。

半航空瞬变电磁法(Semi-airborne Transient Electromagnetic,简称SATEM)采用地面发射、空中接收的非紧凑式观测模式,具有对低阻体敏感、灵活高效、一次性覆盖面极广、成本低廉等优势[5-8]。近年来,随着无人机技术的不断革新,半航空瞬变电磁法的技术潜力也逐渐凸显,作为一种应对复杂地形的有效勘探手段,已在水文地质、矿产、隧道勘察等领域获得广泛应用[9-12]。

嵇艳鞠等[13]利用BP神经网络对电性源半航空瞬变电磁数据进行电阻率反演成像研究。李貅等[14]研究了电性源半航空瞬变电磁逆合成孔径成像方法。张莹莹等[15-16]定义了单辐射场源和多辐射场源电性源半航空瞬变电磁全域视电阻率,并根据等效导电平面原理,讨论了多场源下半航空瞬变电磁法的快速成像方法。Feng等[17]提出了基于CFS-PML的CNCSU-FDTD三维半航空瞬变电磁正演方法。Qi等[18]提出了接地导线源半航空瞬变电磁y分量磁场的全域视电阻率定义。李雪峰等[19]研究了多接地源下半航空瞬变电磁响应规律研究。随着SATEM理论和方法研究的不断发展,地球物理学家运用该方法开展了多项试验应用,在2014年举办的EMIW会议上,Sun等[20]重点介绍了基于飞艇的半航空瞬变电磁试验。刘富波等[21]利用EEMD方法有效去除运动噪声,并且成功在莲花山铁矿区开展了探测试验。宿传玺[22]以广西岩溶地区为背景,利用三维时域有限差分法进行了浅层岩溶半航空瞬变电磁响应规律和试验研究。文献[2]研究了不同接收参数下半航空瞬变电磁的响应规律,并将该方法成功应用至广西贺州至巴马高速公路达墨隧道工程。文献[8]分析定义了半航空瞬变电磁法中横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响。田忠斌等[23]利用半航空瞬变电磁法,对山西省沁水煤田的未知采空区进行快速?厲精确探测。文献[7]将半航空瞬变电磁法成功应用于广西达墨隧道的勘察工作,探测结果与围岩开挖情况高度吻合,并指导了该隧道的围岩分级。

综上所述,半航空瞬变电磁法作为一种新型的地球物理勘探方法在理论方法和试验应用上都取得了显著的应用成果,克服了复杂地形条件无可用地球物理勘察技术的难题。天峨—巴马高速公路(简称天巴路)沿线位于山区丘陵地带、地形险峻、工程设计难度大、施工过程难点多,物探、钻探数据匮乏。为填补设计及施工阶段地球物理勘察资料空白,本文利用半航空瞬变电磁法应用于天巴路全线的隧道勘察工作,旨在利用探测结果指导隧道安全施工、及时规避风险段,并成功预测了多处岩溶高风险区域,岩溶揭露与探测结果吻合度高达85%,极大地避免了人员伤亡和财产损失,为天巴路安全建设和顺利贯通保驾护航。

1 研究区概况

拟建天峨至北海公路天峨经凤山至巴马段路线起于河池市天峨县北东侧,与平塘至天峨高速公路相接,总体走向南北向。天巴路桥隧占主线全长66.64%,隧道占主线全长的47.36%,短隧道6 657 m/19座,中隧道10 568.5 m/15座,长隧道21 248.5 m/13座,还有特长隧道11 105 m/3座。

天巴路沿线多位于山地丘陵地带,其地势复杂、工程设计难度大、施工过程难点多。工区内属岩溶峰丛洼地地貌。隧址区内的山体多为侵蚀切割较强烈,地形连绵起伏,山脚处多发育充填型溶孔、沟槽、洼地等岩溶地貌。根据物探、钻探及地质调查结果,隧址区地层主要为第四系残坡积层(Qel+dl)、二叠系下统茅口组(P1m)、二叠系下统栖霞组(P1q)及石炭系上统马平组(C3m)地层。隧道所穿越山体岩性主要为灰岩,区域节理裂隙发育。区内灰岩地层易发育岩溶,当溶洞中充填水或沉积物,则相对围岩为低阻体,可至几十欧姆米,甚至更低。半航空瞬变电磁法正是以低电阻率特征为勘探目标,富水岩溶与围岩的电阻率差异特征为地球物理勘探提供了基础和前提。

天巴路沿线高风险隧道居多,据早期地质资料显示,在砦牙1号隧道、勤兰隧道沿线的岩溶分布最为集中和复杂,且地形极其复杂,均未开展钻探和物探工作,缺乏可用的勘察资料。其中,砦牙1号隧道位于凤山县砦牙乡弄楼屯,设计长度为1 755.00 m,在线位ZK37+400左120 m及ZK38+300左50 m各存在一高位岩溶洼地,ZK37+670～ZK37+875段周边溶蚀裂隙发育。勤兰隧道位于巴马县勤兰村,设计长度为5 322.00 m,隧道出口处发育有大型的岩溶洼地,低洼地段发育有泉眼、落水洞等。由于砦牙1号隧道和勤兰隧道均穿越了大量山体,缺乏物探和钻探资料,给隧道施工带来了巨大的风险和隐患,隧道周边的多处岩溶发育区也暗示了隧道线位处存在隐伏溶洞的可能性极高,因此亟须对两条隧道开展半航空瞬变电磁探测,在施工前期对潜在岩溶风险进行探测和评估。

2 半航空瞬变电磁探测

2.1 半航空瞬变电磁基本原理

半航空瞬变电磁的基本原理为将发射装置和接地长导线源布设于较为平坦的地面,然后发射机向发射天线供入双极性方波电流,电流通过导线传入地下,在大地中形成涡旋电流,进而产生二次感应磁场;无人机携带接收装置在目标体上方连续采集电磁信号,通过对地下目标成像得到地下电阻率分布,进而探查地下围岩的电性、规模和产状(见图1)。特别是对于岩溶、含水断层等这类低阻异常体,半航空瞬变电磁法具有较好的分辨率[24]。

图1 半航空瞬变电磁基本原理示意图

2.2 测区工作设计

半航空瞬变电磁基本工作流程如图2所示,包括野外数据采集和数据处理与解释。其中,野外数据采集的发射源设计运用了Chen等[25]提出的最优探测区域设计公式以确定源的长度和其与隧道线位之间的位置关系,保证足够的探测深度,发射线源与隧道线位近似平行布设,偏移距约为1～1.2 km。接收端航线设计需覆盖整个区域,走向平行于隧道线位,航线一般为10 m,重点区域可进行适当加密。

图2 半航空瞬变电磁探测基本流程图

砦牙1号隧道和勤兰隧道探测区域设计如图3、图4所示。砦牙1号隧址区内共规划6条U型航线,测线长度约为3 150 m,测线间距为10 m,地面发射源长度为1 117 m。勤兰隧道共规划4个区块进行探测,区域航线数量为24条,A、B、C、D区域对应的航线长度分别为3 360 m、2 330 m、2 330 m、3 100 m,飞行速度设置为10 m/s;设计三条发射源,长度分别为1 755 m、1 537 m、1 793 m。现场试验的飞行高度选择高于测区地形最高海拔处100～200 m。

图3 砦牙1号隧道半航空瞬变电磁探测区域设计示意图

图4 勤兰隧道半航空瞬变电磁探测区域设计示意图

研究区探测所用的仪器包括接收系统和发射系统。其中,接收系统为山东大学自研的半航空瞬变电磁接收线圈、接收机,无人机采用大疆的M600 PRO旋翼无人机;发射系统采用EMT6000电磁发射机和HJD25000T发电机。发射系统最大发射电压为750 V,发射电流约为10～30 A,接收系统采集频率为256 kHz。

2.3 数据处理与解释

在数据处理与解释阶段,需要对探测数据进行数据质量评估和数据预处理,利用使用α-trimmed均值滤波器进行天电噪声去噪,利用Sun等[26]提出的多项式拟合法去除运动噪声,然后进行叠加与抽道后获得常规瞬变电磁的衰减曲线,用于电阻率成像与解释。最终对探测结果进行三维视电阻率成图,结合地质资料和现场已开挖情况进行综合分析解释,进而推断出可能的隧道风险源的位置及规模,用于指导设计与施工。

3 探测结果分析

本研究在天巴路19条岩溶高风险隧道开展了应用研究,共计完成了174条航线、约30 km的隧道探测工作,并取得了良好的探测成果,成功揭露21处大型地下岩溶,岩溶区桩号位置与半航空瞬变电磁探测结果高度吻合,准确率高达85%。其中,砦牙1号隧道和勤兰隧道属于低阻异常区较为密集,揭露岩溶发育区最多,也是施工风险最高的两条隧道,详细的探测结果和开挖验证如下。

3.1 砦牙1号隧道

如图5所示,根据现场SATEM探测结果,隧道左线在ZK37+357～ZK37+410、ZK37+715～ZK37+810、ZK38+150～ZK38+360段存在3处低阻异常区。其中桩号ZK37+715～ZK37+810段存在的低阻异常区域,与前期物探资料中所述ZK37+670～ZK37+875段溶蚀裂隙发育、岩体破碎的地质现象吻合;ZK38+150～ZK38+360段存在的低阻异常区域与地质资料中ZK38+300左侧50m处存在的岩溶洼地的位置相吻合,推断该岩溶发育区与地表溶蚀洼地通过落水洞连通,雨季地表雨水易沿该通道渗入洞体,该岩溶区起到了雨季消水的作用。隧道右线在桩号K37+160～K37+300、K38+360～K38+420段存在低阻异常区,桩号K37+880～K37+915、K38+000～K38+025段存在垂直低阻异常带,推断该处为垂直型岩溶裂隙通道。其中K37+880～K37+915段与前期物探资料中所述K37+677～K37+890段溶蚀裂隙发育、岩体破碎的地质现象吻合,推断该处垂直低阻异常带可能与地表溶蚀洼地或者溶蚀裂隙连通,雨季地表雨水易沿该通道渗入洞体。

(a)隧道左洞视电阻率剖面

砦牙1号隧道尚未开挖完成,目前共揭露4处大型岩溶,揭露位置均与半航空瞬变电磁探测结果高度吻合,详细描述如下:

(1)隧道右线K38+175处掌子面右侧揭露出一处厅堂式溶洞,无填充,掌子面围岩为中风化灰岩,岩质较坚硬,岩体较完整,洞壁有水浸痕迹,有明显的岩溶裂隙通道且通道壁湿润。半航空瞬变电磁横纵剖面的探测结果在此溶洞处有明显的低阻异常反应,异常区呈长条状且向上延伸至地表洼地。

(2)隧道右线K38+255处揭露一溶洞,溶洞向地表以下发育约200 m,地表以上发育约30 m,左右宽约10 m,向掌子面掘进方向发育约10 m,洞顶有滴水。此溶洞揭露位置恰巧位于半航空瞬变电磁探测显示的低阻异常区的边界处,该低阻区向上发育且与山顶洼地的覆盖层的低阻区连为一体,雨季也易出现洼地内地表水沿垂直岩溶裂隙渗入洞内的情况,易引起拱顶和拱腰渗水或失稳的安全问题。

(3)左线ZK38+412处掌子面正前方揭露一大型溶洞,该溶洞纵向长约26 m,高约23 m,距隧底深约32～36 m,右侧宽约5 m,左侧宽约8 m,隧道从其左上角穿越,纵向约有25 m左右暴露在溶腔中,溶洞内无填充物。溶洞揭露位置与半航空瞬变电磁探测显示的低阻区异常吻合,且该溶洞顶部存在狭长的垂向通道向上延伸,与探测结果认为此处岩溶与地表洼地存在连通的推断相吻合。

3.2 勤兰隧道

根据图6的探测结果,勤兰隧道沿线低阻异常较多,整体施工风险较大,存在K86+440～K87+850、K88+570～K89+750、K90+070～K91+300三处明显的低阻异常段,均位于隧道设计高程附近,推断有溶洞或垂直岩溶裂隙发育。目前勤兰隧道还未开挖完成,根据现场开挖结果,典型岩溶揭露与探测结果对比如下:

(a)隧道左洞视电阻率剖面

(1)左线ZK86+556处掌子面正前方揭露大型溶洞,中间有渗水,掌子面主要为潮湿状态的土质,左侧边墙为基岩;右线K86+576掌子面左侧,拱顶至左拱脚有一充填型溶洞,根据超前水平钻探报告左侧15 m范围为溶洞填充淤泥。上述溶洞皆与此前在ZK86+440～ZK86+850段探测结果中明显的低阻异常区高度吻合,且此段异常区位于山顶洼地处,具备岩溶发育条件。

(2)进口右洞掌子面掘进至K87+603处时,揭露大型溶洞,初步推测为落水溶洞,与地表洼地相连,掌子面中间底部存在2～3 m宽岩溶裂隙,纵向长目测20 m以上,与左侧大溶洞相连。此溶洞揭露位置与此前探测的K86+440～K86+850段低阻区异常吻合,且该溶洞位于山体洼地处,属于典型的地表岩溶汇水区,特别是雨季地表水易沿垂直裂隙渗入洞内,隧道施工中拱顶和拱腰处存在渗水或坍塌的安全隐患。

综上所述,砦牙1号隧道和勤兰隧道揭露的溶洞与半航空瞬变电磁法的探测结果高度吻合,成功预测了多个大型溶洞,证实了该方法在复杂地形下岩溶勘察的可行性和准确性,可有效获取地下岩溶等灾害源的电磁响应规律。目前,依托SATEM探测结果,现场施工人员已提早制定预案并成功穿越这几处高风险段,并且指导施工阶段的围岩分级,极大地提高了施工效率,规避了人员和财产的损失。

4 结语

本文以广西天峨—巴马高速公路全线隧道为例,利用半航空瞬变电磁法在全线19条隧道开展探测工作,成功探测了21处岩溶区域,通过对半航空瞬变电磁数据的处理与分析,可得出如下结论:(1)半航空瞬变电磁法适用于复杂地形条件的隧道勘察,能够有效识别岩溶等低阻常体,探测结果与揭露的溶洞高度吻合;(2)半航空瞬变电磁法为隧道设计和施工提供了较为可靠的勘察资料,也为隧道围岩分级和风险区划分提供了指导依据。

作为一种新型的地球物理勘察手段,半航空瞬变电磁法在复杂地形区域内隧道勘察领域具有较高工程应用价值,未来有望在矿产勘察、水文地质调查、环境调查等领域开展更广泛的应用。