AMT与TSP相结合在隧道勘察中的综合应用

2021-10-25刘战

工程地球物理学报 2021年5期

刘战

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 引言

我国的铁路事业处于快速发展阶段，而隧道建设的安全问题成为了重中之重，在地形条件差和地质构造复杂的地区，断层带、褶皱、节理裂隙等构造比较发育，地下水丰富，隧道围岩所处的工程地质条件较差，增加了隧道施工的难度和危险[1]。为保证隧道工程施工质量、工期、投资和人员设备安全，隧道超前地质预报已被列为保障施工的重要环节[2-5]，并在岩溶探测、裂隙水、小规模断层破碎带及其边界圈定等方面取得了良好的应用效果，特别是在地质条件复杂的深埋长大隧道，隧道地质超前预报工作更是显得必不可少[6-10]。

不同的地质构造其物性差异不同，而隧道地质超前预报包含地质构造、围岩完整性、富水程度等工程地质和水文地质的多方面内容。岩体的构造发育程度、完整性、破碎程度和稳定性等主要表现在力学性质的差异上，而电阻率的差异则对围岩的富水程度反映敏感。任何单一的物探方法都不可能同时反映力学和电磁学两种物性参数的变化[1]。地震方法可以探测到围岩力学性质的变化，通过探测结果预报开挖面前方围岩的岩性变化、构造发育、结构特征和力学强度等力学要素，但是对围岩的饱水性不敏感，不能预报饱水体和富水地段，容易漏报而导致发生突泥、涌水等病害事故，因此，采用大地电磁法等电法勘探的手段来探测围岩电性变化情况，预防地下水诱发的工程地质病害发生。

本文以新建中兰铁路香山隧道为研究对象，通过对比勘察阶段音频大地电磁方法勘察成果和施工阶段地质超前预报提供的弹性参数，结合音频大地电磁和地震地质超前预报的资料，分析掌子面前方含水性、破碎带等地质情况，从而对地质情况做出评价划分，为科学施工提供重要的一手资料，也为如何利用地球物理勘察资料提供参考。

2 方法技术

2.1 AMT方法原理

大地电磁测深法[11]是以天然交变电磁场为场源，当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时，由于电磁感应作用，地面电磁场的观测值将包含有地下介质电阻率分布的信息。音频大地电磁法AMT(Audio Magnetotelluric Method)同大地电磁MT(Magnetotellurics)的原理是一样的，只是接收的天然磁场信号的频率范围不一样，MT接收的频率范围相对较低，为0.0 001～10 000 Hz，AMT接收频段为0.1～10 000 Hz，相应的MT探测的深度更深，而AMT在采集地下1 km以内的信号时，抗干扰能力更强，数据更可靠，足以满足隧道勘察的需要。

本次野外采集数据所用的仪器是由加拿大凤凰公司的V8多功能电磁采集系统的MT/AMT测量单元，该套音频大地电磁系统便于携带，适合山地作业，且探测深度大，采集速度快，在工程勘察、地下水勘察及地质灾害调查中都取得了良好的应用效果[10]。在电磁场理论中，把电磁场(E、H)在大地中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度定义为穿透深度或趋肤深度(δ),式计算公式为

(1)

式中，ρ为电阻率(Ω·m)；f为频率(Hz)。由式(1)可知，趋肤深度(δ)将随电阻率(ρ)和频率(f)变化，测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。根据公式(1)，地下埋深较浅的电性信息由高频段的数据反映出来，地下深部的电性信息由低频段的数据反映出来。由此得到电场和磁场的数据，根据公式计算出相应的视电阻率和相位，得出地下电性特征确定地质构造，以上是对V8观测系统方法原理做出简单扼要的说明。

2.2 TSP方法原理

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(通常布置在地层或构造的走向与隧道轴向相交成锐角的边墙，大约24个炮点)用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性分界面等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质[12-14]。反射的地震信号将被高灵敏度的加速度地震传感器接收，并以数字形式记录下来。采集数据通过TSPwin[15-16]专用软件处理，可获得隧道掌子面前方P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数等中间成果资料，同时还可得到反射层的二维和三维空间分布，根据上述资料便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱岩层、破碎带、断层、含水岩层等)和位置及规模[12-14]。

本次探测采用TSP203plus超前地质预报系统，采集的数据采用TSPwin plus 2.1专用软件进行处理。处理时，首先正确输入隧道及炮点和接收点的几何参数。基本处理流程包括11个主要步骤：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。

在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度VP和横波速度VS，VP和VS值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据VP和VS值可直接计算动力学参数，即计算动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比μd。

2.3 两种方法的局限性

AMT法随着勘探深度的提高，大地电磁的体积效应也越来越明显，所谓的体积效应就是测得的卡尼亚电阻率反映的是地下一个体积的平均电阻率，这个电阻率在评价深度和准确里程上存在误差，也就是说不能非常准确地判断地质边界，但可以控制地质边界，因此在施工阶段有必要完善，利用其他方法取长补短来完成整个地质边界的准确判断[17-19]。

地震波方法对界面的反射位置的确定有较高的准确度，这在判断断层破碎带边界方面有较强的优势，但对与掌子面夹角较小的结构面较敏感，而对于与掌子面夹角较大甚至垂直的结构面不敏感，对于水和溶洞不敏感，工作耗时较长。

所有的地球物理方法都有多解性，围岩含水性增加、破碎都可以导致电阻率变低，同种岩性的围岩波速降低或者弹性参数的变差都会导致围岩变差，究竟是什么原因引起的异常，还需要采取多种方法相结合来解译判断。

3 工程实例分析

3.1 音频大地电磁成果分析

本文以新建铁路中兰线香山隧道DK41+600～DK43+500里程段为例，勘察阶段采用音频大地电磁法(V8)，点距25 m。该里程段隧道基岩主要为砂岩、板岩，地表为第四系砂质黄土。根据过往物探资料显示，砂岩电阻率在100～800 Ω·m 之间，板岩电阻率在100～1 000 Ω·m之间，黄土覆盖层电阻率低于100 Ω·m，含水黄土电阻率通常在10 Ω·m左右，物探成果图详见图1。

图1 香山隧道(DK41+600～DK43+475段)音频大地电磁物探成果Fig.1 Audio magnetotelluric result of Xiangshan tunnel (DK41+600～DK43+475)

结果表明,基岩电阻率在300～1 500 Ω·m之间，覆盖层及风化地层电阻率在50～300 Ω·m之间；推断断层破碎带、岩体破碎带电阻率在100～500 Ω·m之间。推测洞身里程DK41+990～DK42+090段、DK42+350～DK42+420段、DK43+130～DK43+240段、DK43+450～DK43+500段推断岩体节理裂隙发育，岩石破碎，围岩等级应降低。推测洞身里程DK41+650～DK41+730段存在断层破碎带F1，倾向大里程方向；DK42+520～DK42+640段存在断层破碎带F2，倾向大里程方向；推测DK41+600～DK42+200段深部地层电阻率在50～500 Ω·m之间，推断该范围内岩体富水。

地质专业人员根据物探成果在DK41+662左8 m和DK41+690右110 m处布置两个钻孔，钻孔资料详细信息见表1。在断层破碎带F1即DK41+650～DK41+730里程段，地质钻探结果同音频大地电磁法探测划分的异常区相吻合，验证了方法的有效性，对地质异常区布孔有很好的指导性。

表1 钻孔资料

3.2 超前地质预报的综合分析

本文选取断层破碎带F1所在里程段DK41+650～DK41+730段及岩体节理裂隙发育区DK43+130～DK43+240段的超前地质预报进行综合分析。图2、图3是TSP采集的数据经过TSPwin[15,16]处理后提取物性参数的成果图。在图中速度栏绘制的是隧道轴向的纵波速度(上)和横波速度(下)分段曲线，泊松比、密度和杨氏模量栏的曲线是通过纵横波速度值根据公式和经验公式计算得到[15,16]。

图2 DK41+592.9～DK41+732.9段反射面2D示意图及岩石力学参数曲线Fig.2 2D diagram of reflection surface and rock mechanics parameter curve in DK41+592.9～DK41+732.9

图3 DK43+252.6～DK43+122.6段反射面2D示意图及岩石力学参数曲线Fig.3 2D diagram of reflection surface and rock mechanics parameter curve in DK43+252.6～DK43+122.6

在超前地质预报中，对DK41+592.9～DK41+732.9段进行了详细的分析(图2)，将成果划分以下几段：

1)DK41+592.9～DK41+614段：本段纵波波速约4 520～4 570 m/s，横波波速约2 560～2 600 m/s，泊松比约0.26～0.28，密度约2.52～2.54 g/cm3。与掌子面对比分析，围岩各项岩性参数均微增，反射界面若干，以弱反射为主。

2)DK41+614～DK41+642：本段纵波波速约4 515～4 740 m/s，横波波速约2 400～2 560 m/s，泊松比约0.29～0.32，密度约2.49～2.52 g/cm3。较之前段，围岩纵波波速、泊松比增大，横波波速、密度和杨氏模量减小，反射界面若干。

3)DK41+642～DK41+669：本段纵波波速约4 350～4 580 m/s，横波波速约2 445～2 670 m/s，泊松比约0.25～0.28，密度约2.48～2.57 g/cm3。较之前段，围岩各项岩性参数均减小，波动变化较少，反射界面若干。

4)DK41+669～DK41+694：本段纵波波速约4 430～4 950 m/s，横波波速约2 410～2 700 m/s，泊松比约0.25～0.32，密度约2.49～2.60 g/cm3。较之前段，纵波波速增大，围岩岩性参数波动变化频繁，反射界面密集，强弱反射界面交替。

5)DK41+694～DK41+719：本段纵波波速约4 090～4 130 m/s，横波波速约2 610～2 670 m/s，泊松比约0.14～0.15，密度约2.50～2.52 g/cm3。较之前段，围岩各项岩性参数整体偏弱，反射界面较少。

6)DK41+719～DK41+732.9：本段纵波波速约4 515～4 540 m/s，横波波速约2 530～2 770 m/s，泊松比约0.20～0.27，密度约2.52～2.59 g/cm3。较之前段，围岩各项岩性参数均增大，其中，纵波波速反射能量较强，反射界面若干。结合地质调查资料，推测本段围岩节理裂隙发育，岩体破碎，岩石强度增大，稳定性较差，拱部围岩易掉块。局部裂隙可能含水。

综上所述，对于里程DK41+592.9～DK41+732.9段，围岩节理裂隙发育，岩体破碎，岩石强度变化较频繁，围岩整体性、稳定性较差，拱部围岩易掉块。裂隙含水或夹泥。

在超前地质预报中，对DK43+252.6～DK43+122.6段进行了简要的叙述(图3)，将成果划分以下几段：

1)DK43+252.6～DK43+235段：本段纵波波速约3 260～3 300 m/s，横波波速约1 810～1 950 m/s，泊松比约0.23～0.28，密度约2.16～2.21 g/cm3。与掌子面对比分析，围岩各项岩性参数值呈锯齿状变化，反射界面若干，以弱反射界面为主。

2)DK43+235～DK43+216段：本段纵波波速约3 325 m/s，横波波速约1 730～1 790 m/s，泊松比约0.30～0.32，密度约2.15～2.16 g/cm3。较上段，围岩岩性参数值较稳定，波动变化少。纵波波速、纵横波速比和泊松比增大，横波波速、密度和杨氏模量减小，反射界面较少。

3)DK43+216～DK43+194段：本段纵波波速约3 120～3 350 m/s，横波波速约1 790～2 000 m/s，泊松比约0.16～0.30，密度约2.15～2.26 g/cm3。较上段，围岩岩性参数值波动变化频繁，其中，纵波波速、纵横波速比和泊松比减小，横波波速、密度和杨氏模量增大，反射界面密集，强弱反射界面交替。

4)DK43+194～DK43+169段：本段纵波波速约3 180～3 630 m/s，横波波速约1 760～2 200 m/s，泊松比约0.20～0.33，密度约2.15～2.29 g/cm3。较上段，围岩各项岩性参数值波动变化较频繁，幅度较大，反射界面密集，局部较集中。

5)DK43+169～DK43+138段：本段纵波波速约3 315 m/s，横波波速约1 955 m/s，泊松比约0.23，密度约2.21 g/cm3。较上段，围岩各项岩性参数值均增大，波动变化少，趋势较平稳。反射界面少。

6)DK43+138～DK43+122.6段:本段纵波波速约3 270～3 435 m/s，横波波速约1 890～2 030 m/s，泊松比约0.23～0.27，密度约2.19～2.25 g/cm3。较上段，纵横波速比和泊松比为主，横波波速、密度和杨氏模量略降，反射界面若干。

综上所述，对于里程DK43+252.6～DK43+122.6段，围岩节理裂隙发育，岩体破碎，岩石强度变化较频繁，围岩整体性、稳定性较差，拱部围岩易掉块。裂隙含水或夹泥。

3.3 音频大地电磁法(AMT)成果和超前地质预报(TSP)资料的综合分析

在勘察阶段对香山隧道采用AMT法进行探测，根据AMT资料中电阻率的变化特性划出断层F1(DK41+650～DK41+730)及岩体节理裂隙发育区(DK43+130～DK43+240)，两段电阻率变低，围岩变差。为保证隧道施工安全，在施工时进行了超前地质预报。

在断层F1所在里程段，相对应的地质预报资料中DK41+669～DK41+694段围岩岩性参数变化较频繁，且反射界面密集，DK41+656～DK41+669、DK41+694～DK41+719段围岩岩性参数整体偏弱，推测其围岩裂隙发育，岩体破碎，岩性变化较频繁，岩石强度较低，可能发育有构造破碎带或含软弱岩层，破碎带含水或夹泥，围岩均一性、稳定性差，DK41+593、DK41+604、DK41+615、DK41+634、DK41+725处弱反射界面，可能发育有构造破碎带或含软弱夹层，裂隙含水或夹泥，施工中易发生围岩垮塌和掉块。

在岩体节理裂隙发育区(DK43+130～DK43+240)中，相应的地质预报资料中：DK43+216～DK43+194、DK43+185～DK43+169段围岩岩性参数波动变化频繁，且反射界面密集，推测其可能发育裂隙破碎带或节理密集带，局部可能含滑层，裂隙带含水或夹泥，围岩均一性及稳定性差，应注意DK43+251、DK43+246、DK43+235、DK43+191、DK43+186、DK43+138、DK43+133、DK43+128处的弱反射界面，推测发育有裂隙破碎带或节理密集带，裂隙含水或夹泥。施工中易发生围岩垮落或掉块，应提前做好预防措施。

AMT从宏观上预报出地质不良体，查明各种构造的形状、规模和埋深, 对地质情况有一个半定量认识，然后在开挖的掌子面附近进行TSP工作, 精确预报掌子面前方的不良地质体，指导施工保证施工安全。