岩溶隧道瞬变电磁三维超前探测技术研究

　　摘要:针对岩溶发育地区隧道开挖时现有地质预报技术对岩溶突水较难做出准确预测的问题，设计出大断面三维多匝小回线瞬变电磁探测技术。依据岩溶发育特点，采用数值模拟方法对隧道掌子面前方25m和50m处不同体积富水溶洞进行模拟，研究掌子面前方不同距离和规模的低阻异常体瞬变电磁响应特征。基于数值模拟结果，在张吉怀铁路古丈隧道岩溶发育段进行探测验证，结果表明:1)溶洞模型在二维视电阻率等值线断面图上25m和50m处形成闭合、视电阻值小于60Ω·m的低阻区，低阻区与设计的模拟体的位置和范围一致;2)大断面三维多匝小回线瞬变电磁探测三维显示结果与现场实际揭露情况基本吻合，采用该技术能够准确预报掌子面前方17～30m、隧道两侧20m到隧道中轴线的充泥含水溶洞。

　　关键词:岩溶隧道;瞬变电磁法;三维超前探测;数值模拟

　　隧道工程师论文范文：公路桥梁隧道的试验检测研究

　　摘要:随着我国经济水平的不断增长，公路桥梁隧道的数量也在逐年增加。而除数量的变化外，我们对路桥施工的质量也愈加关心起来，这不仅关系到道路运营的经济效益，更关系到广大群众切身的安全，因此本文将对公路桥梁隧道的实验检测环节进行深度剖析研究，以找到更加高效安全的检测方式来满足民众对安全的考量。

　　0引言

　　在我国西南部(特别是有岩溶发育的地区)修建铁路时往往要穿越山区，即会出现长大埋深隧道，此类隧道在开挖过程中面临岩溶突水的风险[1-2]，严重威胁施工人员和设备的安全。富水充泥溶腔的准确预报是目前地质超前预报技术面临的难点[3-4]，隧道应用较多的地质预报物探方法有地质雷达法和地震反射波法(TSP)，地质雷达法属于近距离(30m)预报技术[5];而TSP为弹性波波阻抗预报技术[6]，在长距离下预报岩溶水、裂隙水、地层水等存在难度[7]。瞬变电磁法是一种电磁感应探测方法，是一种对含(富)水构造体较敏感的勘探技术[8]，该技术能够在隧道掌子面进行多角度、多断面测量。

　　自20世纪90年代瞬变电磁法引入隧道超前地质预报以来，薛国强等[9]对不同地电断面情况下的异常体电磁响应进行定性分析，得出采用瞬变电磁法探测不良地质体是可行的结论;李貅等[10]研究得出瞬变电磁法对低阻含水断层、充泥富水溶洞、含水含泥破碎带等不良地质体探测反应灵敏;谭代明[11]通过改变低阻异常体埋深、半径、电阻率及高阻围岩的电阻率，得到了各参数变化对结果的影响程度;赵雪平[12]利用ANSYS软件，对岩溶隧道的瞬变电磁法超前地质预报进行了模拟计算，结果表明瞬变电磁法对岩溶体探测敏感，验证了瞬变电磁法超前预报的可行性。

　　前人对岩溶发育隧道瞬变电磁法作了较系统的研究，但隧道掌子面瞬变电磁超前地质预报研究都是基于隧道内单条或几条、自隧道左侧到右侧测线的数据采集，依据感应电动势剖面和二维视电阻率断面来进行解释，无法准确定位掌子面前方不良地质体的空间范围。随着隧道面临越来越复杂的地质情况，对开挖前探测精度和不良地质体的定位提出了更高的要求。因此，本文借鉴煤矿中应用较成熟的小巷道断面多匝小回线扇形断面瞬变电磁超前探测技术，开展隧道大断面三维瞬变电磁超前地质预报技术，通过数值模拟研究掌子面前方不同距离、规模的低阻异常体瞬变电磁响应特征，以期对隧道掌子面前方80m、洞轴线30m范围内岩溶发育构造进行三维空间定位。

　　1瞬变电磁超前探测技术

　　1.1瞬变电磁法原理

　　隧道掌子面瞬变电磁法是利用磁偶源装置形式，在掌子面布设发射线圈激发脉冲电流产生一次电磁场，在发射间隙用接收装置接收掌子面前方围岩产生的二次场，由于二次场随时间的强弱与周围地下地质体的导电性分布成正相关关系，通过对接收到的数据进行成图处理、分析和解释，可以探测到掌子面前方围岩富水性分布情况[13]。依据小线框全空间瞬变电磁法“烟圈效应”原理推算出“烟圈”将沿47°倾斜锥面向外传播[14]，在隧道掌子面，对每一个探测点设计探测角度为α。

　　采用α±β(β为任意一小角，β<47°)角度变化法，可以避免盲区，减小体积效应，实现对有效区域的高密度全覆盖探测，准确收集地质信息，确保地质解释的准确性和精度，这也是设计扇形探测角度间隔的依据。

　　1.2隧道掌子面大断面超前探测技术

　　对于隧道掌子面，其超大断面的瞬变电磁装置布置是面临的难点，隧道建设的工期安排紧凑，这就需要设计的探测角度疏密合理，且施工便捷。借鉴煤矿小巷道掌子面的2m方形多匝线圈装置，在隧道掌子面多匝线圈的法线方向成自以隧道左侧与轴线成60°夹角为起始探测角度，以等间隔5°、10°或者15°向隧道右侧旋转至与中轴线成60°为最后一个探测角度的一个扇形探测断面。富水性较强的区域主要集中在隧道中轴线右侧，3个不同等间隔的异常在断面上的位置和范围几乎一致，依据隧道后期开挖揭露情况可知，在该范围拱顶及边墙有不同程度的渗水、线性出水情况。在掌子面使用12.5Hz发射、叠加200次再施加等间隔5°采样一个断面所用时间为20min，10°需要10min，15°需要6min。在隧道掌子面建议使用15°等间隔，这样施工效率高，能够满足对隧道前方围岩富水情况探查的要求。

　　在隧道掌子面设计由点到面、由面到体的3D探测技术。通过前期试验，制作了专业的角度控制支架，最大限度地减少人为干扰因素对最终采集数据的影响。具体的施工流程是:1)在隧道掌子面中心线上距离掌子面0.4m处架设角度控制支架，布置收发装置;2)采用扇形断面、等间隔15°进行数据采集);3)将数据离散到对应的空间坐标系下)。最后使用Voxler软件[15]，对离散化的三维数据网格化，输出异常体等势面图以及各个方向的视电阻率等值线切片图，进行综合对比分析。

　　2岩溶体数值模拟

　　2.1模拟参数设置

　　岩溶发育隧道面临的富水或充泥溶洞发育在隧道开挖路径的位置距离掌子面有远有近，规模有大有小，发育形态也是千变万化的。将这些地质构造简化成可以进行数值模拟的构造模型。设计数值模型中以形状近似的低阻体来替代真实情况下的溶洞，通过总结模型的瞬变电磁响应规律来提高实地探测资料的解释精度。利用ANSYS有限元软件对隧道前方富水(充泥)溶洞进行瞬变电磁三维正演模拟，对整个模型进行离散化处理，将模型划分成一定数量的单元，建立每个小单元上的待求解的近似解，进而求得整个模型的近似解，采用以有限单元上的场量作为变量的计算方式具有较高的计算精度[16]。建立隧道全空间模型，模型尺寸为500m×500m×600m，假定隧道掌子面形状为矩形，隧道断面宽10m、高13m，隧道已开挖距离为200m，富水岩溶体位于掌子面正前方25m和50m处，分别设置为边长为10m和20m的立方体模型。

　　3工程应用

　　新建张吉怀铁路古丈隧道位于湖南省古丈县红石林镇、罗依溪镇境内，线路总体近南西(169°～210°)。场区属溶蚀构造中低山地貌，沿线地形标高为400～800m，地形陡峭，地势起伏大。隧道穿越寒武系下统页岩、灰岩，寒武系中统白云岩、泥灰岩、灰岩、白云质灰岩以及寒武系上统灰岩等地层。该隧道起讫里程为DK81+257.32～DK86+138.00，长4880.68m。

　　隧道穿越构造侵蚀—溶蚀中低山区和构造溶蚀中低山区。地表及地下岩溶极为发育，地表峰丛洼地、峰丛槽谷十分普遍，地表河流常通过落水洞潜入地下形成断头河，地下暗河呈树枝状发育，最终汇集排泄于酉水河。

　　4结论与讨论

　　本文在分析、总结现有隧道超前地质预报技术的基础上，针对岩溶水设计了多匝小回线3D瞬变电磁探测技术，通过理论数值模拟和现场实践应用，有效地探测了掌子面前方岩溶发育范围，说明了该方法的适用性，也为相近地质问题隧道安全施工提供了参考技术方法，并得到以下结论:1)通过试验可知，在隧道掌子面设计等间隔15°扇形剖面进行探测，探测时间短，施工效率高，能够满足探测精度的需要;2)通过数值模拟富水溶洞的瞬变电磁响应规律可知，掌子面前方25m和50m的溶洞模型能够准确显示在二维断面成果图中，且形成近似圆形的低阻区域;3)在岩溶发育区的应用结果表明，采用多匝小回线3D瞬变电磁探测技术有效地对掌子面前方的岩溶构造进行了预报，并给出了其三维立体空间的发育情况，探测结果与实际情况吻合较好。

　　本文研究也存在以下不足，需进一步研究:1)对岩溶发育区充水和充泥情况瞬变电磁响应存在的差异需进一步分析;2)岩溶发育的不规则性、多个小型岩溶连续发育等地质情况，应在下一步数值模拟中予以充分考虑;3)在数据处理过程中应综合考虑隧道内的干扰因素(如支护条件、隧道空腔、开挖台车等)对最终解释成果的影响;