OCTEM在铁路工程前期勘察中的应用

2022-11-25任金龙赵思为

铁道勘察 2022年6期

周超张硕任金龙赵思为

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 研究背景

在铁路工程前期勘察中，选线工作会遇到许多工程地质问题，如岩溶、采空区、断层破碎带等，如果这些不良地质体在前期勘察中未查明，会对后期铁路施工和运营带来较大安全风险。如成贵高铁玉京山隧道开挖过程中遇到了巨型溶洞，处理耗费了将近3年时间，给施工带来诸多不便[1]；沪昆高铁何家地隧道出口煤窑采空区严重影响了隧道的正常施工[2];宋辉等认为，隧道施工过程中如遇断层破碎带则会引起较大规模的坍塌和涌水突泥[3]。因此，需要采用合理的地质勘察手段，使铁路线路规避上述不良地质体的影响，从而减少后期铁路施工和运营的安全隐患。

地质勘察常用手段有地表调查、钻探和物探等，但是在实际工作中，地表调查无法查清不良地质体的具体位置和影响范围，而钻探工作周期长，具有“一孔之见”的局限性，无法查清确切的影响范围。近年来，物探方法日渐成熟，凭借其无损、高效等优势，广泛应用于铁路工程勘察工作中，且取得了一定的应用效果。韩松和郭小平等利用浅层地震反射波法探测断层和采空区，取得了较好的应用效果[4-5]；范剑等应用大地电磁法和航空电磁法查找铁路隧道中的构造，2种方法的勘探成果均能够较为宏观地给出断层的位置[6-7]；张业利用高密度电法进行铁路路基岩溶勘察[8]。然而，上述各种方法也存在一定的局限性，浅层地震波反射法仅适用于地形较平坦、沉积环境较好、地层较为连续稳定的工区；而大地电磁法和航空电磁法抗干扰能力较弱，且得到的结果较宏观，仅比较适合大型地质构造的查找；高密度电法的探测深度有限，对于埋深较大的不良地质体无能为力。

等值反磁通瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method，OCTEM)是一种新兴的物探方法，已广泛应用于地灾、矿产、公路、城市地质调查等领域。高远将OCTEM运用到地质灾害调查工作中，且应用效果良好[9]；邝金坚等将OCTEM应用于某铅锌矿查找工作中，成功区分了碳质板岩和陡立状矿脉[10]；刘杰等应用OCTEM对公路隧道塌陷区进行了圈定[11]；李华等在城市地质调查工作中，应用OCTEM成功探测了城市地下空间膏盐层[12]。不难看出，OCTEM是一种具有探测精度高、纵横分辨率高、工作效率高、抗干扰能力强以及可适应多种地形条件的物探手段，可以高精度地查明目标体的分布发育情况。

铁路工程前期勘察工作中，对于存在的岩溶、采空区和断层破碎带等不良地质体，亟需一种适应能力强且探测精度高的物探手段来查明。鉴于OCTEM的诸多优势，可以将该方法应用于铁路工程中，为线路方案比选提供详尽可靠的依据。

2 OCTEM原理及技术特点

2.1 方法原理

OCTEM基本原理与传统的瞬变电磁法(TEM)无异，使用不接地的回线向地下发射双极性脉冲电流激发电磁场，通过观测二次磁场，达到探测目标体分布的方法[13]。另外，OCTEM采用了等值反磁通技术，即采用上下平行共轴的两个相同但电流方向相反的发射线圈，通以反向电流发射一次场，在该双线圈源合成的一次场零磁通面上放置接收线圈，由于该平面上不受一次场关断影响，其接收线圈接收到的为地下介质产生的纯二次场[14-15]，见图1。

图1 等值反磁通装置示意

2.2 技术特点

传统瞬变电磁法(TEM)会因为早期数据存在的电磁耦合而造成早期信号失真，从而形成一个高度为数十米至上百米的勘探盲区[16]。而OCTEM通过消除接收线圈本身的感应电动势来测得地下地质体的纯二次场响应，解决了TEM存在浅层勘探盲区的难题。

HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统包含天线、主机、电脑和连接线，OCTEM主要技术特点见表1。

表1 OCTEM主要技术特点

3 OCTEM工作方法

在进行铁路工程勘察物探工作之前，应先收集工区的地形地貌资料、地质资料、钻孔资料和岩石物性资料等，通过对收集到的资料进行分析，确定工区是否具备开展OCTEM勘探的地电条件。OCTEM勘探主要分为野外数据采集和室内数据处理2个流程。

3.1 野外数据采集

在进行OCTEM野外数据采集正式工作之前，首先应根据探测任务、精度要求和工点条件的不同，注意测网设计和参数设置两个方面的问题。

测网的布设主要是根据勘探目标体及精度来决定，在铁路工程勘察中，一般做完是沿线路的中线布置一条测线，点距为20 m，当需对一些特定不良地质体进行精细查找时，往往布置网状的测线，测线的间距以及测点距一般取10 m。

在进行参数设置工作之前，首先开展WIFI连接和仪器自检工作，OCTEM野外工作采集软件中参数主要有测点配置、发送频率和叠加次数。测点配置即点号步进设置，一般按实际测点距设置。

发射频率需根据探测深度来选择，HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统的常用发射频率有25,12.5,6.25,2.5 Hz，频率越低，勘探深度越大(见表2)。需注意的是，当地表第四系土石层厚度过大时(>50 m)，会使OCTEM的勘探减小，这是由于土石层使得电磁波衰减过快，无法达到预期的探测深度。

表2 发射频率与勘探深度关系

确定发射频率后，需对叠加次数进行设置，叠加次数包含叠加周期和重复次数，它的选择主要与工区的噪声水平相关。理论上叠加周期越大、重复次数越多，采集到的数据信噪比越高，但是会使采集时长大幅度增加，降低工作效率。根据以往工作经验，频率选择25 Hz时，叠加周期宜为500次；频率选择12.5 Hz和6.25 Hz时，叠加周期宜为300次；频率选择2.5 Hz时，叠加周期宜为200次。重复次数都可设置为2次。但是由于各个工区噪声水平的差异，在进行正式采集工作之前，应通过试验工作选择叠加周期，以确保数据质量。

OCTEM野外数据采集过程中，还需注意以下6点：①尽量将天线水平放置，最大倾斜度不超过10°，确保采集到数据的有效性；②在保证天线与主机连接线够长的情况下，确保两者的距离>4 m；③天线与采集电脑保持5 m以上距离，避免电脑对数据产生干扰；④采集电脑与仪器主机保持水平距离≥20 m；⑤现场施测人员应远离天线，同时确保连接缆无缠绕或绕圈；⑥在遇到强电磁干扰时，应适当调整测点位置，同时做好相应的班报记录，最后对资料进行自评。

3.2 室内数据处理

野外工作结束后，使用OCTEM专用数据处理软件HPTEMDataProcess对原始数据进行初步处理，通过拟二维反演得到电阻率剖面，然后使用成图软件surfer进行电阻率断面编辑，最后结合已知地质资料和钻孔资料得到电学地质断面(见图2)。

图2 OCTEM数据处理流程

在使用HPTEMDataProcess进行数据处理时，也需进行一系列的参数设置：约束系数、反演系数、基准阻值、目标深度、开始时间和反演方法。

约束系数主要影响反演深度，在无钻孔资料和其他地质资料情况下，一般选择1；反演系数主要影响数据的光滑度，一般选择0.2～0.5；基准阻值为地表电阻率预估值，根据工区实际情况选择；最大深度根据实际情况而定，当探测深度>60 m时，可将最大深度设置为“探测深度+20 m”；开始时间固定为80 μs。反演方法建议选择瞬态弛豫反演法，可有效解决地表起伏过大对反演结果的影响，对岩溶、采空区和断层等不良地质体反应敏感，虽然该方法所得的结果既不是真电阻率也不是视电阻率，而是“相对电阻率”，但是不影响对异常情况的判别。

4 工程实例

4.1 岩溶探测

该工区位于昆明市东北市郊，属洪积堆积地貌，地形起伏较小，上覆第四系压实填土和红黏土，下伏基岩为二叠纪灰岩夹白云岩，岩溶中等发育。工区周围存在民房及工业厂房，道路、民用电线和高压电线密布，电磁干扰非常严重，施工环境复杂，常规的地震波反射法和电磁法勘探无法顺利开展。因此，选择抗干扰能力强的OCTEM进行本次探测工作，沿着线路中线布置测线，点距为10 m，发射频率为6.25 Hz，为了压制周围严重的电磁干扰，本次叠加周期选择500，重复次数2次。

使用HPTEMDataProcess处理软件和surfer成图软件，将野外数据生成相对电阻率断面(见图3)。综合分析OCTEM法资料和地质资料，以物探资料为主、地质资料为辅，根据相对电阻率断面中异常的形态和梯度高值位置确定异常边界，将覆盖层以下电阻率值≤350 Ω·m的区域判释为岩溶。图3显示，纵向上视电阻率从上到下逐步递增，横向上高低阻相间，浅部的低阻带为第四系覆土层的电性反应。在小里程段显现2个电阻率值明显偏小的低阻异常区域，电阻率值<350 Ω·m，其中23 m附近为1个团状低阻异常，80 m处则为1个条带状的低阻异常，根据判释原则，推测2处为岩溶发育的电性反应。在23 m和80 m处分别进行了钻探验证，80 m处的部分岩芯见图4，将2处验证钻孔的柱状图投影到相对电阻率断面相应里程位置，23 m处的ZK-JC-34孔揭示了1个溶洞，与团状低阻异常相吻合；而80 m处的ZK-JC-35孔揭示了2个溶洞，与推测的溶洞位置相相符，也正是2处溶洞的存在导致该处表现为条带状低阻异常。

图3 某新建铁路岩溶OCTEM探测成果

图4 80 m处溶洞钻孔岩芯

综上所述，在隧道洞身14～38 m和71～101 m处岩溶强烈发育，对隧道后期施工影响较大。因此，后期隧道施工中应特别注意安全，加强支护。

4.2 采空区探测

该工区位于云南省昭通市市郊，属云贵高原丘陵区，地形起伏较小，地表覆盖层为第四系人工弃土、松软土、膨胀土、细角砾土与碎石土，下伏基岩为石炭系页岩、泥岩、灰岩和煤层。前期地质调查资料显示，工区内除了分布大型煤矿之外，还存在小规模、无规律开采情况，采空区分布比较复杂且埋深较浅。工区地处市郊，周围存在较强的震动干扰和电磁干扰，常规的电磁法和地震波反射法并不适用。

按照探测任务布置了2条OCTEM测线，分别为WT1和WT2，点距取10 m，发射频率取6.25 Hz，叠加周期取400，既能较好地克制电磁干扰又可兼顾工作效率。将原始数据通过拟二维反演得出相对电阻率断面，见图5。通过结合OCTEM法资料和地质资料，以及相对电阻率断面中异常的形态和梯度高值位置确定解释原则：将覆盖层以下电阻率值≤700 Ω·m的区域判释为采空区。图5中，2条测线的电阻率断面都以中高电阻率值为背景，浅部的低阻带为覆盖土层或全风化岩石的电性反映。在WT1测线180 m和240 m处，WT2测线140 m处，都存在圈闭的团状低阻异常，电阻率值<700 Ω·m，根据地质调查资料和解释原则将3处判定为采空区。为了进一步验证OCTEM法的可靠性，分别在这3处进行了钻孔验证，其中ZK-WT1-1和ZK-WT1-2号孔的部分岩芯情况见图6，将3处钻孔柱状图分别投影到电阻率断面相应里程处，揭示的采空区位置与物探异常判释的采空区基本吻合。

图5 某新建铁路采空区OCTEM探测成果

图6 WT1测线180 m和240 m处采空区钻孔岩芯

查明的3处采空区均位于路基下方，且埋深都小于50 m，对线路影响较大，应采取绕行或者采空区整治，才能确保铁路后期运营安全。

4.3 断层探测

该工区位于重庆市，属剥蚀低山地貌，地形起伏较大，上覆土层为第四系人工填筑碎石土和粉质黏土，基岩为侏罗系砂岩，岩性简单。根据前期调查，工区内发育F1断层，其与设计线路相交，但确切位置和宽度不明。同时，设计线路周边存在高压电塔，电磁干扰较为严重。由于地形起伏较大，限制了浅层地震波反射法的应用，而严重的电磁干扰则会让常规的电磁法无法开展。

沿线路中线布置了1条OCTEM测线，点距取20 m，发射频率取2.5 Hz。为了压制周围电磁干扰，提高资料信噪比，叠加周期取300，重复次数取2。将原始数据进行室内数据处理，得到结果见图7，综合分析OCTEM电阻率断面，结合已有地质资料，将电阻率断面中电阻率值<800 Ω·m的贯通条带状低阻异常判释为断层破碎带。图7显示，该段电阻率以中低阻为背景，说明砂岩风化程度较高，垂向上电性分层明显，电阻率随着深度增加呈由低到高的规律性变化，符合砂岩地层中第四系覆盖层-强风化层-弱风化层的地层结构。在整个剖面中部位置存在1个向下延伸的低阻异常带，电阻率值<800 Ω·m，推测为F1断层破碎带的电性反映。在230 m处进行了钻探验证，钻孔岩芯揭示，该处的岩芯破碎且有断层泥的存在(见图8)。