摘要:針對巖溶發(fā)育地區(qū)隧道開挖時現(xiàn)有地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對巖溶突水較難做出準(zhǔn)確預(yù)測的問題，設(shè)計出大斷面三維多匝小回線瞬變電磁探測技術(shù)。依據(jù)巖溶發(fā)育特點，采用數(shù)值模擬方法對隧道掌子面前方25m和50m處不同體積富水溶洞進行模擬，研究掌子面前方不同距離和規(guī)模的低阻異常體瞬變電磁響應(yīng)特征。

　　基于數(shù)值模擬結(jié)果，在張吉懷鐵路古丈隧道巖溶發(fā)育段進行探測驗證，結(jié)果表明:1)溶洞模型在二維視電阻率等值線斷面圖上25m和50m處形成閉合、視電阻值小于60Ω·m的低阻區(qū)，低阻區(qū)與設(shè)計的模擬體的位置和范圍一致;2)大斷面三維多匝小回線瞬變電磁探測三維顯示結(jié)果與現(xiàn)場實際揭露情況基本吻合，采用該技術(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)報掌子面前方17～30m、隧道兩側(cè)20m到隧道中軸線的充泥含水溶洞。

　　關(guān)鍵詞:巖溶隧道;瞬變電磁法;三維超前探測;數(shù)值模擬

　　0引言

　　在我國西南部(特別是有巖溶發(fā)育的地區(qū))修建鐵路時往往要穿越山區(qū)，即會出現(xiàn)長大埋深隧道，此類隧道在開挖過程中面臨巖溶突水的風(fēng)險[1-2]，嚴(yán)重威脅施工人員和設(shè)備的安全。富水充泥溶腔的準(zhǔn)確預(yù)報是目前地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)面臨的難點[3-4]，隧道應(yīng)用較多的地質(zhì)預(yù)報物探方法有地質(zhì)雷達(dá)法和地震反射波法(TSP)，地質(zhì)雷達(dá)法屬于近距離(30m)預(yù)報技術(shù)[5];而TSP為彈性波波阻抗預(yù)報技術(shù)[6]，在長距離下預(yù)報巖溶水、裂隙水、地層水等存在難度[7]。

　　瞬變電磁法是一種電磁感應(yīng)探測方法，是一種對含(富)水構(gòu)造體較敏感的勘探技術(shù)[8]，該技術(shù)能夠在隧道掌子面進行多角度、多斷面測量。自20世紀(jì)90年代瞬變電磁法引入隧道超前地質(zhì)預(yù)報以來，薛國強等[9]對不同地電斷面情況下的異常體電磁響應(yīng)進行定性分析，得出采用瞬變電磁法探測不良地質(zhì)體是可行的結(jié)論;李貅等[10]研究得出瞬變電磁法對低阻含水?dāng)鄬印⒊淠喔凰�溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質(zhì)體探測反應(yīng)靈敏;譚代明[11]通過改變低阻異常體埋深、半徑、電阻率及高阻圍巖的電阻率，得到了各參數(shù)變化對結(jié)果的影響程度;。

　　趙雪平[12]利用ANSYS軟件，對巖溶隧道的瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報進行了模擬計算，結(jié)果表明瞬變電磁法對巖溶體探測敏感，驗證了瞬變電磁法超前預(yù)報的可行性。前人對巖溶發(fā)育隧道瞬變電磁法作了較系統(tǒng)的研究，但隧道掌子面瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報研究都是基于隧道內(nèi)單條或幾條、自隧道左側(cè)到右側(cè)測線的數(shù)據(jù)采集，依據(jù)感應(yīng)電動勢剖面和二維視電阻率斷面來進行解釋，無法準(zhǔn)確定位掌子面前方不良地質(zhì)體的空間范圍。

　　隨著隧道面臨越來越復(fù)雜的地質(zhì)情況，對開挖前探測精度和不良地質(zhì)體的定位提出了更高的要求。因此，本文借鑒煤礦中應(yīng)用較成熟的小巷道斷面多匝小回線扇形斷面瞬變電磁超前探測技術(shù)，開展隧道大斷面三維瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，通過數(shù)值模擬研究掌子面前方不同距離、規(guī)模的低阻異常體瞬變電磁響應(yīng)特征，以期對隧道掌子面前方80m、洞軸線30m范圍內(nèi)巖溶發(fā)育構(gòu)造進行三維空間定位。

　　1瞬變電磁超前探測技術(shù)

　　1.1瞬變電磁法原理

　　隧道掌子面瞬變電磁法是利用磁偶源裝置形式，在掌子面布設(shè)發(fā)射線圈激發(fā)脈沖電流產(chǎn)生一次電磁場，在發(fā)射間隙用接收裝置接收掌子面前方圍巖產(chǎn)生的二次場，由于二次場隨時間的強弱與周圍地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性分布成正相關(guān)關(guān)系，通過對接收到的數(shù)據(jù)進行成圖處理、分析和解釋，可以探測到掌子面前方圍巖富水性分布情況[13]。

　　依據(jù)小線框全空間瞬變電磁法“煙圈效應(yīng)”原理推算出“煙圈”將沿47°傾斜錐面向外傳播[14]，在隧道掌子面，對每一個探測點設(shè)計探測角度為α。采用α±β(β為任意一小角，β<47°)角度變化法，可以避免盲區(qū)，減小體積效應(yīng)，實現(xiàn)對有效區(qū)域的高密度全覆蓋探測，準(zhǔn)確收集地質(zhì)信息，確保地質(zhì)解釋的準(zhǔn)確性和精度，這也是設(shè)計扇形探測角度間隔的依據(jù)。

　　1.2隧道掌子面大斷面超前探測技術(shù)

　　對于隧道掌子面，其超大斷面的瞬變電磁裝置布置是面臨的難點，隧道建設(shè)的工期安排緊湊，這就需要設(shè)計的探測角度疏密合理，且施工便捷。借鑒煤礦小巷道掌子面的2m方形多匝線圈裝置，在隧道掌子面多匝線圈的法線方向成自以隧道左側(cè)與軸線成60°夾角為起始探測角度，以等間隔5°、10°或者15°向隧道右側(cè)旋轉(zhuǎn)至與中軸線成60°為最后一個探測角度的一個扇形探測斷面。

　　富水性較強的區(qū)域主要集中在隧道中軸線右側(cè)，3個不同等間隔的異常在斷面上的位置和范圍幾乎一致，依據(jù)隧道后期開挖揭露情況可知，在該范圍拱頂及邊墻有不同程度的滲水、線性出水情況。在掌子面使用12.5Hz發(fā)射、疊加200次再施加等間隔5°采樣一個斷面所用時間為20min，10°需要10min，15°需要6min。在隧道掌子面建議使用15°等間隔，這樣施工效率高，能夠滿足對隧道前方圍巖富水情況探查的要求。

　　在隧道掌子面設(shè)計由點到面、由面到體的3D探測技術(shù)。通過前期試驗，制作了專業(yè)的角度控制支架，最大限度地減少人為干擾因素對最終采集數(shù)據(jù)的影響。具體的施工流程是:1)在隧道掌子面中心線上距離掌子面0.4m處架設(shè)角度控制支架，布置收發(fā)裝置;2)采用扇形斷面、等間隔15°進行數(shù)據(jù)采集;3)將數(shù)據(jù)離散到對應(yīng)的空間坐標(biāo)系下。最后使用Voxler軟件[15]，對離散化的三維數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，輸出異常體等勢面圖以及各個方向的視電阻率等值線切片圖，進行綜合對比分析。

　　2巖溶體數(shù)值模擬

　　2.1模擬參數(shù)設(shè)置

　　巖溶發(fā)育隧道面臨的富水或充泥溶洞發(fā)育在隧道開挖路徑的位置距離掌子面有遠(yuǎn)有近，規(guī)模有大有小，發(fā)育形態(tài)也是千變?nèi)f化的。將這些地質(zhì)構(gòu)造簡化成可以進行數(shù)值模擬的構(gòu)造模型。設(shè)計數(shù)值模型中以形狀近似的低阻體來替代真實情況下的溶洞，通過總結(jié)模型的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律來提高實地探測資料的解釋精度。

　　利用ANSYS有限元軟件對隧道前方富水(充泥)溶洞進行瞬變電磁三維正演模擬，對整個模型進行離散化處理，將模型劃分成一定數(shù)量的單元，建立每個小單元上的待求解的近似解，進而求得整個模型的近似解，采用以有限單元上的場量作為變量的計算方式具有較高的計算精度[16]。

　　建立隧道全空間模型，模型尺寸為500m×500m×600m，假定隧道掌子面形狀為矩形，隧道斷面寬10m、高13m，隧道已開挖距離為200m，富水巖溶體位于掌子面正前方25m和50m處，分別設(shè)置為邊長為10m和20m的立方體模型。設(shè)計各向同性介質(zhì)為背景地質(zhì)條件，采用水平旋轉(zhuǎn)的方式進行瞬變電磁超前探測模擬，每次旋轉(zhuǎn)15°，從0°到180°。

　　分別計算研究異常體在掌子面前方25m和50m時，異常體在掌子面正前方的瞬變電磁響應(yīng)。收發(fā)裝置離掌子面距離為0.4m。根據(jù)實際隧道中圍巖巖性、巖溶水的電阻率變化范圍，取其近似值作為模型的計算值。激勵源設(shè)置在掌子面中間，在激烈源中不同的時刻設(shè)計不同大小的電流密度來模擬實際的供電電流，在電流接通期間設(shè)計的電流密度最大，電流斷開期間設(shè)計的電流密度為0。

　　2.2數(shù)值模擬結(jié)果

　　異常體瞬變電磁響應(yīng)結(jié)果，可以直觀地得到以下結(jié)論:

　　1)溶洞模型在二維視電阻率等值線斷面圖上25m和50m處形成閉合、視電阻值小于60Ω·m的低阻區(qū)，低阻區(qū)與設(shè)計的模擬體的位置和范圍一致。

　　2)當(dāng)收發(fā)裝置正對著異常體時，其視電阻率值最低;當(dāng)收發(fā)裝置偏離異常體時，視電阻率開始變大;異常體不在收發(fā)裝置探測范圍時，視電阻率等值較高。這也說明了小線圈瞬變電磁探測具有一定的方向性。

　　3)異常的形態(tài)和設(shè)置的異常形態(tài)有一定的區(qū)別，但異常的中心位置一致。說明瞬變電磁探測成果的異常邊界范圍與實際會有一定的誤差，但異常響應(yīng)的中心位置準(zhǔn)確。

　　4)異常的閾值與設(shè)置的實際視電阻率值有較大區(qū)別，說明瞬變電磁探測視電阻率值是綜合的地電反應(yīng)。異常閾值的選擇應(yīng)根據(jù)探測區(qū)域的地質(zhì)條件情況來選取。

　　3工程應(yīng)用

　　新建張吉懷鐵路古丈隧道位于湖南省古丈縣紅石林鎮(zhèn)、羅依溪鎮(zhèn)境內(nèi)，線路總體近南西(169°～210°)。場區(qū)屬溶蝕構(gòu)造中低山地貌，沿線地形標(biāo)高為400～800m，地形陡峭，地勢起伏大。隧道穿越寒武系下統(tǒng)頁巖、灰?guī)r，寒武系中統(tǒng)白云巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r以及寒武系上統(tǒng)灰?guī)r等地層。

　　該隧道起訖里程為DK81+257.32～DK86+138.00，長4880.68m。隧道穿越構(gòu)造侵蝕—溶蝕中低山區(qū)和構(gòu)造溶蝕中低山區(qū)。地表及地下巖溶極為發(fā)育，地表峰叢洼地、峰叢槽谷十分普遍，地表河流常通過落水洞潛入地下形成斷頭河，地下暗河呈樹枝狀發(fā)育，最終匯集排泄于酉水河。掌子面采用爆破法全斷面開挖和噴漿支護方式。

　　根據(jù)掌子面開挖情況可知，圍巖是寒武系泥質(zhì)條帶灰?guī)r，青灰色、灰白色，弱風(fēng)化，薄—中厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖較破碎。依據(jù)現(xiàn)場情況，采用中煤科工集團西安研究院生產(chǎn)的礦用YCS2000A型瞬變電磁儀器，設(shè)計了4個扇面進行探測，發(fā)射電流為3A，發(fā)射頻率為12.5Hz，數(shù)據(jù)采集疊加次數(shù)為200次。對于數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的點通過進行多次重復(fù)測量和增加采集的疊加次數(shù)來保證第一手資料的質(zhì)量。

　　低電阻率區(qū)域相對賦水的可能性較大，因此在做資料分析解釋時重點對低阻區(qū)域分析。在仰角為30°、15°和順開挖方向探測剖面圖中可以看到，在掌子面前方17～30m和開挖洞軸線左側(cè)20m到洞軸線中心范圍有一個閉合的較明顯的相對低阻異常區(qū)(圖中藍(lán)色閉合曲線范圍)，與該區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)近似，在俯角15°探測剖面等值線值相對較高，無明顯異常。采用Voxler軟件繪制3D視電阻率等勢面圖。

　　在掌子面前方17～30m存在相對低阻異常區(qū)域，該異常區(qū)導(dǎo)電性相對較好，橫穿隧道線路，垂向位置在洞身及隧道上部。根據(jù)瞬變電磁法的預(yù)報成果，及時布置了超前水平鉆，鉆孔布設(shè)在隧道掌子面正中心偏上部2m位置，設(shè)計鉆深30m，在隨后的鉆進過程中，0～18m鉆進正常，無卡鉆，鉆孔返水成灰黑色，圍巖弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育;18～29m開始由滲水到股狀出水，鉆進較快，鉆孔返水成土黃色。

　　4結(jié)論與討論

　　本文在分析、總結(jié)現(xiàn)有隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對巖溶水設(shè)計了多匝小回線3D瞬變電磁探測技術(shù)，通過理論數(shù)值模擬和現(xiàn)場實踐應(yīng)用，有效地探測了掌子面前方巖溶發(fā)育范圍，說明了該方法的適用性，也為相近地質(zhì)問題隧道安全施工提供了參考技術(shù)方法，并得到以下結(jié)論:1)通過試驗可知，在隧道掌子面設(shè)計等間隔15°扇形剖面進行探測，探測時間短，施工效率高，能夠滿足探測精度的需要;2)通過數(shù)值模擬富水溶洞的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律可知，掌子面前方25m和50m的溶洞模型能夠準(zhǔn)確顯示在二維斷面成果圖中，且形成近似圓形的低阻區(qū)域;3)在巖溶發(fā)育區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，采用多匝小回線3D瞬變電磁探測技術(shù)有效地對掌子面前方的巖溶構(gòu)造進行了預(yù)報，并給出了其三維立體空間的發(fā)育情況，探測結(jié)果與實際情況吻合較好。

　　本文研究也存在以下不足，需進一步研究:1)對巖溶發(fā)育區(qū)充水和充泥情況瞬變電磁響應(yīng)存在的差異需進一步分析;2)巖溶發(fā)育的不規(guī)則性、多個小型巖溶連續(xù)發(fā)育等地質(zhì)情況，應(yīng)在下一步數(shù)值模擬中予以充分考慮;3)在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)綜合考慮隧道內(nèi)的干擾因素(如支護條件、隧道空腔、開挖臺車等)對最終解釋成果的影響;4)進一步研究三維數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)點密度不等間隔對解釋精度的影響。

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