周 超 張 碩 任金龍 趙思為

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 研究背景

在鐵路工程前期勘察中，選線工作會遇到許多工程地質問題，如巖溶、采空區(qū)、斷層破碎帶等，如果這些不良地質體在前期勘察中未查明，會對后期鐵路施工和運營帶來較大安全風險。如成貴高鐵玉京山隧道開挖過程中遇到了巨型溶洞，處理耗費了將近3年時間，給施工帶來諸多不便[1]；滬昆高鐵何家地隧道出口煤窯采空區(qū)嚴重影響了隧道的正常施工[2];宋輝等認為，隧道施工過程中如遇斷層破碎帶則會引起較大規(guī)模的坍塌和涌水突泥[3]。因此，需要采用合理的地質勘察手段，使鐵路線路規(guī)避上述不良地質體的影響，從而減少后期鐵路施工和運營的安全隱患。

地質勘察常用手段有地表調查、鉆探和物探等，但是在實際工作中，地表調查無法查清不良地質體的具體位置和影響范圍，而鉆探工作周期長，具有“一孔之見”的局限性，無法查清確切的影響范圍。近年來，物探方法日漸成熟，憑借其無損、高效等優(yōu)勢，廣泛應用于鐵路工程勘察工作中，且取得了一定的應用效果。韓松和郭小平等利用淺層地震反射波法探測斷層和采空區(qū)，取得了較好的應用效果[4-5]；范劍等應用大地電磁法和航空電磁法查找鐵路隧道中的構造，2種方法的勘探成果均能夠較為宏觀地給出斷層的位置[6-7]；張業(yè)利用高密度電法進行鐵路路基巖溶勘察[8]。然而，上述各種方法也存在一定的局限性，淺層地震波反射法僅適用于地形較平坦、沉積環(huán)境較好、地層較為連續(xù)穩(wěn)定的工區(qū)；而大地電磁法和航空電磁法抗干擾能力較弱，且得到的結果較宏觀，僅比較適合大型地質構造的查找；高密度電法的探測深度有限，對于埋深較大的不良地質體無能為力。

等值反磁通瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method，OCTEM)是一種新興的物探方法，已廣泛應用于地災、礦產(chǎn)、公路、城市地質調查等領域。高遠將OCTEM運用到地質災害調查工作中，且應用效果良好[9]；鄺金堅等將OCTEM應用于某鉛鋅礦查找工作中，成功區(qū)分了碳質板巖和陡立狀礦脈[10]；劉杰等應用OCTEM對公路隧道塌陷區(qū)進行了圈定[11]；李華等在城市地質調查工作中，應用OCTEM成功探測了城市地下空間膏鹽層[12]。不難看出，OCTEM是一種具有探測精度高、縱橫分辨率高、工作效率高、抗干擾能力強以及可適應多種地形條件的物探手段，可以高精度地查明目標體的分布發(fā)育情況。

鐵路工程前期勘察工作中，對于存在的巖溶、采空區(qū)和斷層破碎帶等不良地質體，亟需一種適應能力強且探測精度高的物探手段來查明。鑒于OCTEM的諸多優(yōu)勢，可以將該方法應用于鐵路工程中，為線路方案比選提供詳盡可靠的依據(jù)。

2 OCTEM原理及技術特點

2.1 方法原理

OCTEM基本原理與傳統(tǒng)的瞬變電磁法(TEM)無異，使用不接地的回線向地下發(fā)射雙極性脈沖電流激發(fā)電磁場，通過觀測二次磁場，達到探測目標體分布的方法[13]。另外，OCTEM采用了等值反磁通技術，即采用上下平行共軸的兩個相同但電流方向相反的發(fā)射線圈，通以反向電流發(fā)射一次場，在該雙線圈源合成的一次場零磁通面上放置接收線圈，由于該平面上不受一次場關斷影響，其接收線圈接收到的為地下介質產(chǎn)生的純二次場[14-15]，見圖1。

圖1 等值反磁通裝置示意

2.2 技術特點

傳統(tǒng)瞬變電磁法(TEM)會因為早期數(shù)據(jù)存在的電磁耦合而造成早期信號失真，從而形成一個高度為數(shù)十米至上百米的勘探盲區(qū)[16]。而OCTEM通過消除接收線圈本身的感應電動勢來測得地下地質體的純二次場響應，解決了TEM存在淺層勘探盲區(qū)的難題。

HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)包含天線、主機、電腦和連接線，OCTEM主要技術特點見表1。

表1 OCTEM主要技術特點

3 OCTEM工作方法

在進行鐵路工程勘察物探工作之前，應先收集工區(qū)的地形地貌資料、地質資料、鉆孔資料和巖石物性資料等，通過對收集到的資料進行分析，確定工區(qū)是否具備開展OCTEM勘探的地電條件。OCTEM勘探主要分為野外數(shù)據(jù)采集和室內數(shù)據(jù)處理2個流程。

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

在進行OCTEM野外數(shù)據(jù)采集正式工作之前，首先應根據(jù)探測任務、精度要求和工點條件的不同，注意測網(wǎng)設計和參數(shù)設置兩個方面的問題。

測網(wǎng)的布設主要是根據(jù)勘探目標體及精度來決定，在鐵路工程勘察中，一般做完是沿線路的中線布置一條測線，點距為20 m，當需對一些特定不良地質體進行精細查找時，往往布置網(wǎng)狀的測線，測線的間距以及測點距一般取10 m。

在進行參數(shù)設置工作之前，首先開展WIFI連接和儀器自檢工作，OCTEM野外工作采集軟件中參數(shù)主要有測點配置、發(fā)送頻率和疊加次數(shù)。測點配置即點號步進設置，一般按實際測點距設置。

發(fā)射頻率需根據(jù)探測深度來選擇，HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)的常用發(fā)射頻率有25,12.5,6.25,2.5 Hz，頻率越低，勘探深度越大(見表2)。需注意的是，當?shù)乇淼谒南低潦瘜雍穸冗^大時(>50 m)，會使OCTEM的勘探減小，這是由于土石層使得電磁波衰減過快，無法達到預期的探測深度。

表2 發(fā)射頻率與勘探深度關系

確定發(fā)射頻率后，需對疊加次數(shù)進行設置，疊加次數(shù)包含疊加周期和重復次數(shù)，它的選擇主要與工區(qū)的噪聲水平相關。理論上疊加周期越大、重復次數(shù)越多，采集到的數(shù)據(jù)信噪比越高，但是會使采集時長大幅度增加，降低工作效率。根據(jù)以往工作經(jīng)驗，頻率選擇25 Hz時，疊加周期宜為500次；頻率選擇12.5 Hz和6.25 Hz時，疊加周期宜為300次；頻率選擇2.5 Hz時，疊加周期宜為200次。重復次數(shù)都可設置為2次。但是由于各個工區(qū)噪聲水平的差異，在進行正式采集工作之前，應通過試驗工作選擇疊加周期，以確保數(shù)據(jù)質量。

OCTEM野外數(shù)據(jù)采集過程中，還需注意以下6點：①盡量將天線水平放置，最大傾斜度不超過10°，確保采集到數(shù)據(jù)的有效性；②在保證天線與主機連接線夠長的情況下，確保兩者的距離>4 m；③天線與采集電腦保持5 m以上距離，避免電腦對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾；④采集電腦與儀器主機保持水平距離≥20 m；⑤現(xiàn)場施測人員應遠離天線，同時確保連接纜無纏繞或繞圈；⑥在遇到強電磁干擾時，應適當調整測點位置，同時做好相應的班報記錄，最后對資料進行自評。

3.2 室內數(shù)據(jù)處理

野外工作結束后，使用OCTEM專用數(shù)據(jù)處理軟件HPTEMDataProcess對原始數(shù)據(jù)進行初步處理，通過擬二維反演得到電阻率剖面，然后使用成圖軟件surfer進行電阻率斷面編輯，最后結合已知地質資料和鉆孔資料得到電學地質斷面(見圖2)。

圖2 OCTEM數(shù)據(jù)處理流程

在使用HPTEMDataProcess進行數(shù)據(jù)處理時，也需進行一系列的參數(shù)設置：約束系數(shù)、反演系數(shù)、基準阻值、目標深度、開始時間和反演方法。

約束系數(shù)主要影響反演深度，在無鉆孔資料和其他地質資料情況下，一般選擇1；反演系數(shù)主要影響數(shù)據(jù)的光滑度，一般選擇0.2～0.5；基準阻值為地表電阻率預估值，根據(jù)工區(qū)實際情況選擇；最大深度根據(jù)實際情況而定，當探測深度>60 m時，可將最大深度設置為“探測深度+20 m”；開始時間固定為80 μs。反演方法建議選擇瞬態(tài)弛豫反演法，可有效解決地表起伏過大對反演結果的影響，對巖溶、采空區(qū)和斷層等不良地質體反應敏感，雖然該方法所得的結果既不是真電阻率也不是視電阻率，而是“相對電阻率”，但是不影響對異常情況的判別。

4 工程實例

4.1 巖溶探測

該工區(qū)位于昆明市東北市郊，屬洪積堆積地貌，地形起伏較小，上覆第四系壓實填土和紅黏土，下伏基巖為二疊紀灰?guī)r夾白云巖，巖溶中等發(fā)育。工區(qū)周圍存在民房及工業(yè)廠房，道路、民用電線和高壓電線密布，電磁干擾非常嚴重，施工環(huán)境復雜，常規(guī)的地震波反射法和電磁法勘探無法順利開展。因此，選擇抗干擾能力強的OCTEM進行本次探測工作，沿著線路中線布置測線，點距為10 m，發(fā)射頻率為6.25 Hz，為了壓制周圍嚴重的電磁干擾，本次疊加周期選擇500，重復次數(shù)2次。

使用HPTEMDataProcess處理軟件和surfer成圖軟件，將野外數(shù)據(jù)生成相對電阻率斷面(見圖3)。綜合分析OCTEM法資料和地質資料，以物探資料為主、地質資料為輔，根據(jù)相對電阻率斷面中異常的形態(tài)和梯度高值位置確定異常邊界，將覆蓋層以下電阻率值≤350 Ω·m的區(qū)域判釋為巖溶。圖3顯示，縱向上視電阻率從上到下逐步遞增，橫向上高低阻相間，淺部的低阻帶為第四系覆土層的電性反應。在小里程段顯現(xiàn)2個電阻率值明顯偏小的低阻異常區(qū)域，電阻率值<350 Ω·m，其中23 m附近為1個團狀低阻異常，80 m處則為1個條帶狀的低阻異常，根據(jù)判釋原則，推測2處為巖溶發(fā)育的電性反應。在23 m和80 m處分別進行了鉆探驗證，80 m處的部分巖芯見圖4，將2處驗證鉆孔的柱狀圖投影到相對電阻率斷面相應里程位置，23 m處的ZK-JC-34孔揭示了1個溶洞，與團狀低阻異常相吻合；而80 m處的ZK-JC-35孔揭示了2個溶洞，與推測的溶洞位置相相符，也正是2處溶洞的存在導致該處表現(xiàn)為條帶狀低阻異常。

圖3 某新建鐵路巖溶OCTEM探測成果

圖4 80 m處溶洞鉆孔巖芯

綜上所述，在隧道洞身14～38 m和71～101 m處巖溶強烈發(fā)育，對隧道后期施工影響較大。因此，后期隧道施工中應特別注意安全，加強支護。

4.2 采空區(qū)探測

該工區(qū)位于云南省昭通市市郊，屬云貴高原丘陵區(qū)，地形起伏較小，地表覆蓋層為第四系人工棄土、松軟土、膨脹土、細角礫土與碎石土，下伏基巖為石炭系頁巖、泥巖、灰?guī)r和煤層。前期地質調查資料顯示，工區(qū)內除了分布大型煤礦之外，還存在小規(guī)模、無規(guī)律開采情況，采空區(qū)分布比較復雜且埋深較淺。工區(qū)地處市郊，周圍存在較強的震動干擾和電磁干擾，常規(guī)的電磁法和地震波反射法并不適用。

按照探測任務布置了2條OCTEM測線，分別為WT1和WT2，點距取10 m，發(fā)射頻率取6.25 Hz，疊加周期取400，既能較好地克制電磁干擾又可兼顧工作效率。將原始數(shù)據(jù)通過擬二維反演得出相對電阻率斷面，見圖5。通過結合OCTEM法資料和地質資料，以及相對電阻率斷面中異常的形態(tài)和梯度高值位置確定解釋原則：將覆蓋層以下電阻率值≤700 Ω·m的區(qū)域判釋為采空區(qū)。圖5中，2條測線的電阻率斷面都以中高電阻率值為背景，淺部的低阻帶為覆蓋土層或全風化巖石的電性反映。在WT1測線180 m和240 m處，WT2測線140 m處，都存在圈閉的團狀低阻異常，電阻率值<700 Ω·m，根據(jù)地質調查資料和解釋原則將3處判定為采空區(qū)。為了進一步驗證OCTEM法的可靠性，分別在這3處進行了鉆孔驗證，其中ZK-WT1-1和ZK-WT1-2號孔的部分巖芯情況見圖6，將3處鉆孔柱狀圖分別投影到電阻率斷面相應里程處，揭示的采空區(qū)位置與物探異常判釋的采空區(qū)基本吻合。

圖5 某新建鐵路采空區(qū)OCTEM探測成果

圖6 WT1測線180 m和240 m處采空區(qū)鉆孔巖芯

查明的3處采空區(qū)均位于路基下方，且埋深都小于50 m，對線路影響較大，應采取繞行或者采空區(qū)整治，才能確保鐵路后期運營安全。

4.3 斷層探測

該工區(qū)位于重慶市，屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大，上覆土層為第四系人工填筑碎石土和粉質黏土，基巖為侏羅系砂巖，巖性簡單。根據(jù)前期調查，工區(qū)內發(fā)育F1斷層，其與設計線路相交，但確切位置和寬度不明。同時，設計線路周邊存在高壓電塔，電磁干擾較為嚴重。由于地形起伏較大，限制了淺層地震波反射法的應用，而嚴重的電磁干擾則會讓常規(guī)的電磁法無法開展。

沿線路中線布置了1條OCTEM測線，點距取20 m，發(fā)射頻率取2.5 Hz。為了壓制周圍電磁干擾，提高資料信噪比，疊加周期取300，重復次數(shù)取2。將原始數(shù)據(jù)進行室內數(shù)據(jù)處理，得到結果見圖7，綜合分析OCTEM電阻率斷面，結合已有地質資料，將電阻率斷面中電阻率值<800 Ω·m的貫通條帶狀低阻異常判釋為斷層破碎帶。圖7顯示，該段電阻率以中低阻為背景，說明砂巖風化程度較高，垂向上電性分層明顯，電阻率隨著深度增加呈由低到高的規(guī)律性變化，符合砂巖地層中第四系覆蓋層-強風化層-弱風化層的地層結構。在整個剖面中部位置存在1個向下延伸的低阻異常帶，電阻率值<800 Ω·m，推測為F1斷層破碎帶的電性反映。在230 m處進行了鉆探驗證，鉆孔巖芯揭示，該處的巖芯破碎且有斷層泥的存在(見圖8)。

圖7 某新建鐵路斷層OCTEM探測成果

圖8 230 m處鉆孔巖芯照

結合OCTEM成果和鉆探資料，F(xiàn)1斷層與隧道洞身相交于207～259 m，破碎帶寬約52 m，巖芯周圍巖體破碎，易形成富水或形成集氣通道，對后期隧道施工影響較大。

5 結論

將OCTEM應用于鐵路工程勘察3種不良地質體的勘察工作中，分析和評價OCTEM的應用效果，得出以下結論。

(1)在OCTEM野外數(shù)據(jù)采集工作中，為獲得可靠原始數(shù)據(jù)，需對參數(shù)進行合理設置，并且滿足6個野外注意事項。而可靠的原始數(shù)據(jù)和合理的數(shù)據(jù)參數(shù)處理是后期數(shù)據(jù)處理和解釋的控制性因素。

(2)在實際工程應用中，OCTEM較為準確地探測出了3處溶洞、3處采空區(qū)的位置和埋深，以及1處斷層的位置和影響寬度，與已有地質資料對應較好。

(3)OCTEM縱橫分辨率高，抗干擾能力強，可實現(xiàn)高精度探測，不良地質體在OCTEM成果上的電性反映與周圍背景巖層呈現(xiàn)出明顯差異性。因此，可根據(jù)OCTEM電阻率斷面，結合已有地質調查資料，準確圈定巖溶和采空區(qū)的分布范圍及埋深，確定斷層的位置及影響寬度。