瞬变电磁法在隧道岩溶勘察中的应用研究

许波、徐春明、燕轲、戴夏斌、严鹏

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京210014）

0 引言

灰岩区岩溶问题是各类工程问题的重大隐患，在灰岩分布区进行道路、桥梁及隧道等基础施工，往往因未查明的岩溶、土洞等发育所引发的塌陷而造成人员伤亡和经济损失。因此在勘察设计阶段，需查明灰岩区岩溶发育情况，以最大限度保证施工安全。

采用物探技术手段探测灰岩区岩溶发育分布特征，是较为经济且有效的勘察方法，其主要涉及面波法、高密度电法、弹性波CT 以及瞬变电磁法等。本文将重点讨论瞬变电磁法在隧道工程灰岩区岩溶勘察中的应用。

1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不同接地回线（线圈）向被测地质体发射脉冲式电场作为场源（一次场），以激励被测体产生二次场，在发射脉冲的间隙利用接地回线（线圈）接收二次场随时间变化的响应。从接收的二次场数据中分析出地质体异常导电体的位置，从而达到解决地质问题的目的。

等效电流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，向外扩散的过程被形象地称为“烟圈效应”[1-2]。从“烟圈效应”的观点来看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场要随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。

中南大学自主研发生产的等值反磁通瞬变电磁区别于传统的单磁源瞬变电磁，在抗干扰性及精度上做了较大创新改进，其最大优势在于应用反磁通瞬变电磁技术，很大程度上减少了传统瞬变电磁浅层地质勘探存在的“盲区”及抗电磁干扰能力弱问题的发生，且该系统便携化了收发天线，提高了仪器稳定性，校准了早期纯二次场测量，并改进了瞬变电磁快速反演技术。

2 常规瞬变电磁法岩溶探测应用（徐州某隧道）

2.1 隧道工程地质条件

该隧道区属低山丘陵地貌，地面标高115～142m。山体呈北东向展布，山体标高为110～171m，相对高差0～60m，具有南坡陡、北坡缓的特点，自然坡度在15～35°。组成山体岩石多碳酸盐岩类及碎屑岩类，局部岩体裸露，植被较稀少，岩溶裂隙较发育。

地层主要由寒武系中厚层石灰岩、泥页岩组成，浅部局部分布全新统残积碎石及全风化泥页岩。该工程场区基岩出露较多。

隧道位于大洞山—南许阳复背斜：位于大洞山—南许阳一带，轴向北东，东端昂起，向南西倾伏，核部为震旦系九顶山组，两翼为寒武系。隧道位于该背斜的南翼，根据区域地质资料显示，存在一条小型断裂F23 呈NW 向斜穿隧道，为一走向近NW290°向的正断层。推测该断裂宽约50m，断层上盘为寒武系泥页岩，下盘为寒武系灰岩，该断裂斜穿隧道，沿线围岩破碎，对隧道稳定影响较大，灰岩产状265°∠24°，泥页岩产状225°∠15°。

隧道区地下水主要为基岩裂隙水及岩溶水。基岩裂隙水主要赋存于强风化基岩及破碎中风化基岩中。由于岩层破碎，裂隙发育，基岩透水性较好，含水性较差，因此以向下入渗排泄为主。深部由于其裂隙闭合，多为矿物充填，含水性与透水性减弱[3]。

2.2 常规瞬变电磁应用解译及分析

隧道位于低山丘陵地质区，地形起伏变化较大，地层岩性较多，变化较大，场区内发育有断裂，地下水发育，岩溶发育，工程地质条件复杂。应用传统的高密度电法作业较为困难，隧道埋深较浅约60m，综合考虑选取瞬变电磁作为隧道洞身探测技术手段较为适宜。测线布置以沿隧道洞身中心线布设一条左洞纵测线，结合勘察钻孔资料对隧道左洞成果进行综合解译。

左线洞身里程范围为K10+205—815，探测成果整体显示以小里程段高阻为主、大里程段低阻为主，中间见有较为明显的高低阻接触带。结合勘察钻孔资料，小里程段高阻以灰岩为主，浅部低阻区为泥岩；大里程段低阻以泥岩为主，深部见有高阻灰岩；高低阻接触面推测为断层F23，也为灰岩泥岩接触面，灰岩段见有低阻异常，推测为岩溶发育。综合瞬变电磁探测成果，对岩溶发育及断层进行钻孔验证。验证结果显示，低阻异常区见有岩溶约2.5m，半充填；高低阻接触带断层异常，见有岩体破碎断层角砾岩。测区各地层视电阻率特征如下：一是覆盖层多显示为低阻，测线段表层电阻率显示为高阻，推测为地表基岩出露；二是下覆基岩显示为高阻；三是岩溶发育带断层破碎带、裂隙密集带，含水率较高，电阻率相对完整岩石较低。从视电阻率上反映，以上不良地质体均显示为低阻，完整岩石显示为高阻。

结合勘察钻孔资料，以视电阻率值对上述解译进行划分（见表1）。隧道右线与左线视电阻率划分范围基本一致，但视电阻率值整体偏低，对于岩体的围岩等级、破碎区等细致划分不够细致，做到量化标准的划分有所难度，但这个问题在等值反磁通瞬变电磁中得到较大改进。

表1 地层及异常视电阻率划分

3 等值反磁通瞬变电磁在岩溶区隧道勘察中的应用（溧阳某隧道）

3.1 隧道工程地质条件

该隧道区属低山残丘地貌，海拔标高22～158m。山体东部坡度较陡，西部坡度较缓，山体植被茂密，山体自然坡度10～40°左右。

地层主要有二叠系灰岩和硅质页岩、侏罗系凝灰岩，浅部分布第四系全新统残坡积层，岩土种类多，不均匀，性质变化大。该工程场区为复杂地基。

隧道区断裂发育，按断裂类型划分为正断层和平移断层。分组概述如下：正断层（f13、f14、f15）：f13 断层于隧道暗挖处斜交，上盘为大王山组安山岩，下盘为大王山组安山岩，产状164°∠75°；f14 断层于隧道暗挖处斜交，上盘为大王山组安山岩，下盘为孤峰组页岩、灰岩，产状164°∠75°；f15 断层于隧道暗挖处斜交，上盘为孤峰组页岩，下盘为孤峰组页岩、灰岩，产状320°∠55°。平移断层（f6、f7、f8、f9）：f6、f7、f8 和f9 为压性右行平移断层，切割栖霞组、孤峰组和大王山组地层，产状280～340°∠近90°；f6 断层于隧道暗挖处斜交，同时切割断裂f13、f14 和f15。

根据地下水埋藏特征，场地地下水类型为潜水、基岩裂隙水（构造裂隙水）、岩溶水。潜水主要赋存于浅部填土及粉质黏土夹碎石中，接受大气降水的入渗补给和地表水侧向补给，以垂直蒸发和径流方式排泄，地下水位年变幅约为1.0m。基岩裂隙水（构造裂隙水）主要赋存于风化基岩、构造裂隙中，接受大气降水、潜水的入渗补给，以径流方式排泄，岩体破碎，裂隙、构造和岩溶发育，基岩透水性较好[4]。

3.2 等值反磁通瞬变电磁应用解译及分析

隧道位于低山残丘工程地质区，地势起伏较大，地层岩性较多，不均匀，性质变化较大，同时隧址区断裂发育，岩溶发育，工程地质条件复杂。该工程在大地电磁、高密度电法探测均不够理想的情况下，选取等值反磁通瞬变电磁进行探测，测线布置以沿隧道洞身中心线布设左右洞纵测线各一条，并结合勘察钻孔资料对隧道成果进行综合解译。

由反磁通瞬变电磁视电阻率值特征，分析得出地层视电阻率值规律大致如下。

粉质黏土夹碎石层与全风化安山岩视电阻率值较为约0～40Ω·m；安山岩整体视电阻率值约40～320Ω·m，其中强风化安山岩约40～80Ω·m，破碎中风化安山岩约80～340Ω·m；灰岩视电阻率值较高约260～360Ω·m；硅质页岩视电阻率值30～250Ω·m。地质病害异常体视电阻率值统计见表2。依据场地地球物理特征，充填型岩溶一般以低于围岩电阻率值特征为主，空洞型岩溶以高于围岩电阻率值特征为主。

表2 地质病害体视电阻率值统计表

结合钻孔隧道左线揭示溶洞主要为半充填大规模溶洞，推测高阻封闭区为溶洞强发育区1 及溶洞强发育区2；隧道右线揭示溶洞主要为充填型溶洞，推测低阻封闭区为溶洞强发育区3 及溶洞强发育区4。隧道左右线均见有严重溶蚀区，具体表现为严重溶蚀区内横向视电阻率高阻低阻相隔分布，推测严重溶蚀区内灰岩破碎，局部溶洞溶蚀发育严重，该表现与灰岩内部裂隙发育相关，客观上存在随机性。另结合地质资料，推测二处断裂均为低阻反应。

后经超前预报人员及施工单位反馈证实，左线岩溶强发育区1、2 为大规模空洞型岩溶发育，岩溶强发育区1 的规模超出隧道顶板及底板；右线岩溶强发育区3、4 为大规模充填型岩溶发育，规模接近隧道顶板及底板。由于电磁法具有体积效应，异常圈定异常尺寸往往会大于实际异常尺寸，因此一般钻孔验证在异常中心点下钻。

反磁通瞬变电磁处理软件需输入基准阻值参数，依据地层浅层地层电阻率情况，给予最接近地层真实电阻率数值，作为数据反演处理的重要参数之一，使得整体地质地层视电阻率值更接近于真实地层电性模型结构，从而进行量化标准的判定，同时采用的反向对偶磁源中心回线装置观测数据，提高了反应电阻率的灵敏度[5]。

4 结语

瞬变电磁法作为一种无损物探探测技术，在其装置及施工方式得到较大创新改进后，外业操作大为便利（以等值反磁通瞬变电磁为例），较大提高了外业施工效率。在探测深度与精度上具备独特优势，越来越多地应用于道路、桥梁及隧道等各类工程中。

围绕瞬变电磁在隧道工程岩溶探测中实际应用案例，等值反磁通瞬变电磁采用的反向对偶磁源中心回线装置观测数据，提高了反应电阻率的灵敏度，与此同时也极大缩小了传统瞬变电磁探测过程中的浅部盲区，并且等值反磁通瞬变电磁在数据处理中创新性地提出基准阻值参数，其依据浅层地层电阻率情况，给予最接近地层真实电阻率数值。作为数据反演处理的重要参数之一，使得地质地层视电阻率值反演后更接近于真实地层电性模型结构，从而对地层进行量化标准的判定，结合钻孔资料证实其对岩溶探测有效性以及数值量化划分地层规律，以及地层病害异常的可行性，为隧道工程围岩等级划分提供可参考的量化指标，对岩溶区隧道工程勘察具有较好的借鉴与指导意义。