大埋深公路隧道富水區(qū)瞬變電磁超前探測應用技術研究

繆強（云南第二公路橋梁工程有限公司，昆明 650000）

大埋深公路隧道富水區(qū)瞬變電磁超前探測應用技術研究

繆強
（云南第二公路橋梁工程有限公司，昆明 650000）

在西部丘陵和山區(qū)進行的高速公路建設中，大埋深及大跨度的隧道相繼多有出現，且不少隧道存在水害威脅。瞬變電磁法作為一種快捷有效的超前水害探測方法，在隧道水害防治中的應用日益廣泛。針對大埋深條件下隧道水害的特點，探討瞬變電磁法隧道超前探測的施工工藝及數據處理解釋方法。結合大埋深隧道瞬變超前探測實例，表明瞬變電磁法對隧道前方富水區(qū)具有較好的反應，方法有效可靠，能為隧道安全施工提供有效指導。

公路隧道；富水區(qū)；瞬變電磁法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.029

1　引言

隨著我國交通基礎建設的發(fā)展，在西部丘陵和山區(qū)的高速公路建設項目也日益增多，大埋深及大跨度的隧道相繼出現。而高海拔山區(qū)的隧道穿越的工程地質環(huán)境復雜，在工程施工中往往不可避免地會遇到塌方、涌水、巖爆等地質災害，而其中又以涌水問題最為普遍與嚴重。隧道涌水往往會對施工人員及設備構成較大的威脅，有可能造成巨大的經濟損失。因此，在隧道開挖過程中，提前對掌子面前方展開超前地質預報，對隧道的安全發(fā)揮著巨大的作用。

目前，國內外多采用地質學方法與物探方法相結合并輔以超前鉆探等來實現超前地質預報。隧道超前地質預報常用的物探方法主要有TSP法、TGP法、TST法、地質雷達法等，這些方法各有所長，但基本上都是掌子面前方的異常地質構造做預測預報。近年來，作為一種成熟的地面富水區(qū)勘探方法，瞬變電磁法越來越多地被應用到大埋深隧道水害問題的超前地質預報中，并取得了較好的應用效果[1，2]。

2　隧道瞬變電磁法超前探測方法原理

地面瞬變電磁法，又稱時間域電磁法，利用的是不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖場，以激勵地層介質感生

圖1　矩形框磁力線圖

隧道瞬變電磁法基本原理與地面瞬變電磁法基本原理相同。所不同的是，隧道瞬變電磁法是在隧道進行，瞬變電磁場呈全空間分布，全空間效應成為隧道瞬變電磁法固有的問題（見圖2）。接收線圈接收到的信號是來自發(fā)射線圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。因而在判定異常體空間位置時，需根據線圈平面的法線方向并結合地質資料加以綜合分析確定。

圖2　全空間瞬變電磁場的傳播

由于隧道掌子面現場特殊的施工環(huán)境，隧道瞬變電磁法與地面瞬變電磁法以及其他的超前地質預報方法有很大的不同，主要有以下幾方面的特點：

1）受掌子面施工空間所限，無法采用地面瞬變電磁數據采集時的大線圈裝置，只能采用邊長小于3m的多匝小線框，因此與地面瞬變電磁法相比,具有測量設備輕便，工作效率高，成本低等優(yōu)點；

2）由于采用小線圈測量，點距更密（一般小于10m），體積效應降低，橫向分辨率提高，再者數據采集裝置靠近目標體，異常體感應信號較強，具有較高的探測靈敏度；

3）受發(fā)射電流關斷時間的影響，早期測量信號畸變，無法探測到淺層的地質異常體，一般存在20m左右的淺部探測盲區(qū)。

4）隧道現場施工時，測量數據容易受到金屬物（臺車、金屬支架、管道等）的干擾，需要在現場測量時盡量遠離金屬體，在資料處理解釋中進行校正或剔除。

目前，礦井瞬變電磁法主要用于解決掌子面開挖前方的突水構造、富水區(qū)預測水文地質問題。

3　隧道瞬變電磁法超前探測工作方法探討

瞬變電磁法常用的工作裝置形式主要有中心回線、重疊回線、偶極-偶極、大定源組合等。其中重疊回線裝置形式地質異常響應強、易于識別地質異常體、施工方便，結合隧道超前探測的工作環(huán)境及探測任務，在探測過程中，通常選用重疊回線裝置形式。

3.1裝置參數設計

隧道瞬變電磁法多采用多匝數小回線測量裝置，參數選擇是否合理直接影響測量結果。其裝置參數主要有：回線邊長大小、回線匝數、疊加次數、終端窗口和增益等。

回線邊長與匝數的選擇由地質探測任務決定。線圈邊長越小，其體積效應也越小，縱、橫向分辨率也愈高；但邊長太小，就會影響到發(fā)射磁矩，使得勘探深度大大降低。由于施工空間受限，一般情況下選用2m伊2m或者3m伊3m的發(fā)射線框。疊加次數、終端窗口、增益等其他參數，正式工作前可通過試驗加以確定。實際參數的選擇，通常兼顧能有效完成探測任務和實際探測的工作效率[3]。

3.2測線布置

根據多匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，可認為線框平面法線方向即為瞬變探測方向。因此瞬變電磁測線通常有2種布置形式，一種是U型觀測系統(tǒng)，即在隧道掌子面底板位置沿隧道環(huán)向平行于掌子面布置，因此發(fā)射線圈通常以直立、適當的仰角和俯角方向（30毅或45毅）進行探測，測點間距以1m為宜（見圖3）；另一種是在扇形觀測系統(tǒng)，即在分別沿平行和垂直于掘進方向進行橫向和縱向掃描，分別形成扇形剖面（見圖4）[4]。

圖3　U型側線布置示意圖

圖4　扇形側線布置示意圖

3.3數據采集干擾分析

隧道瞬變電磁超前探測量環(huán)境位于隧道掌子面處，通過實際測量分析，影響隧道瞬變電磁法主要因素有：（1）掌子面附近的金屬臺車；（2）隧道側幫的金屬支護；（3）風水管等各種金屬設施。這些金屬設施在隧道瞬變電磁法探測中能產生很強的瞬變電磁響應。因此在數據采集前，應盡量排除現場金屬干擾的影響，臺車、裝載機等金屬設備應盡量后撤，可移動的金屬也應盡量搬離探測現場。數據采集過程中，對探測現場較均一的金屬干擾，數據處理時可作為一種背景進行校正，對于探測現場孤立且不便移動的金屬設備，在實測時應偏移測點位置盡量避開，同時做好記錄，以便在資料解釋時排除此類影

響[5,6]。

4　隧道瞬變電磁法應用實例

西南地區(qū)某公路隧道穿過地段海拔在1300~1600m之間，隧道最大埋深超過800m；其組成地層主要為雷口坡組、嘉陵江組；巖性為灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾白云巖、泥灰?guī)r、泥巖等。區(qū)域內巖層以碳酸鹽巖為主，隧道施工區(qū)域內巖溶較為發(fā)育，多處存在涌水、突泥等地質災害隱患。施工過程中采用瞬變電磁技術進行超前探測，掌握掌子面前方富水區(qū)的分布情況，保障隧道掘進的施工安全。

在隧道ZK25+303m處進行瞬變電磁超前探測，數據采集采用中煤科工集團重慶研究院有限公司研發(fā)的YCS1024本安型瞬變電磁儀，該套設備在井巷勘探工程應用技術方面處于國內領先、國際先進水平。探測側線采用扇形方式布設，經過現場試驗，發(fā)射線框采用多匝2m伊2m矩形回線，發(fā)射頻率為25Hz，疊加次數為64次，關斷時間3滋s，采樣間隔2滋s?，F場采集數據經過道編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得如圖5所示瞬變電磁探測成果圖。

圖5　瞬變電磁超前探測成果圖

由圖5a可知，現掌子面正前方55～70m范圍內（虛線圈定區(qū)域）視電阻率相對較低，由圖5b可知，掌子面正前方50～65m范圍內（虛線圈定區(qū)域）視電阻率相對較低，結合有關地質資料分析，掌子面前方60m左右區(qū)域，即ZK25+363附近為巖溶裂隙發(fā)育含水區(qū)域，富水性較強。經開挖驗證，此段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，地下水豐富，溶蝕構造發(fā)育，與預報結果一致。

5　結論

1）瞬變電磁法對低阻體反應靈敏，可利用其進行對受水害威脅的大埋深隧道進行超前地質預報，實際應用效果表明，該方法對富水體的預報具有良好的效果；

2）對異常區(qū)富水性的確定，應綜合考慮到異常區(qū)的范圍大小、視電阻率最小值大小、地質構造及水文地質條件等因素，提高預報準確率；

3）從瞬變電磁探測效果看，因為瞬變電磁法特有的關斷效應，使得探測中前方20m以內的數據不可靠，即通常所說的瞬變電磁探測的“盲區(qū)”；另外，因為瞬變電磁探測是一種基于電阻率的地球物理方法，現場的臺車等金屬體會對探測結果造成一定影響，探測過程中應盡量創(chuàng)造良好的探測環(huán)境。

總之，隧道瞬變電磁超前探作為一種物探技術手段，必然存在一定物探方法的共性—多解性和局限性。電磁法探測要與地質分析、地質鉆探相結合，根據現場具體水文地質情況綜合分析，盡量降低物探資料的多解性。同時應該注意收集掘進過程中揭露的實際地質情況，與瞬變資料進行對比分析，提高瞬變電磁的準確性與針對性，為隧道的安全掘進提供有力支持。

【1】譚代明.隧道超前探水全空間瞬變電磁理論及其應用研究[D].成都:西南交通大學,2009.

【2】劉樹才,劉志新,姜志海.瞬變電磁法在煤礦采區(qū)水文勘探中的應用[J].中國礦業(yè)大學學報,2005,34(4):414－417.

【3】姜志海.巷道掘進工作面瞬變電磁超前探測機制與技術研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2008.

【4】張平松,李永盛,胡雄武.坑道掘進瞬變電磁超前探水技術應用分析[J].巖土力學，2012,33(9):2750-2753.

【5】余東俊.瞬變電磁法(TEM)在隧道超前預報中的應用和效果研究[D].成都：成都理工大學，2010.

【6】薛國強,宋建平,武軍杰，等.瞬變電磁法探測公路隧道工程中的不良地質構造[J].長安大學學報(地球科學版),2003,25(4):73-75.

Researchon the Application Technology of Transient ElectromagneticAdvanced Detection in theWater Rich Area of theHighway Tunnel

M IUQiang
（YunnanSecond HighwayBridgeEngineeringCo.Ltd.,Kunm ing 650000，China）

Inhighwayconstruction in theWesternHillsandmountains,bigburieddepthand largespanofthetunnelhavebeen found, and a lot of tunnel existing flood threat.The transient electromagnetic method as a fast and effective method in the application of advanced detectionofwaterdisasters,flood prevention in tunnelismoreandmorewidely.According to the largeburieddepthof tunnel water disaster characteristics of transient electromagnetic method in tunnel advanced detection of construction technology and data processing and interpretation methods.Combined with the example of transient advance detection of large buried deep tunnel,it is showed thatthetransientelectromagneticmethodhasgood characteristicsin the frontofthetunnel.Themethod iseffectiveand reliable, and canprovideeffectiveguidance forthesafeconstructionofthetunnel.

highway tunnel;waterrichzone;transient electromagneticmethod

U452.1

A

1007-9467（2016）11-0101-04

繆強（1983～），男，四川閬中人，工程師，從事公路工程施工與管理研究。二次場，在一次脈沖場間歇期間利用同一回線或電偶極接收感應二次場。簡單來說，即在電流斷開之前（t<0時），發(fā)射電流在回線周圍與大地空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場（見圖1），在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產生的磁場也立即消失。在電流斷開間歇期間，觀測由地下地質體受激勵引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場（按指數規(guī)律衰減）。地質層介質被激勵所感應的二次渦流場強弱決定于地層介質所耦合的一次脈沖磁場磁力線的多少，即二次場的大小與地下介質的電性有關：低阻地質體感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大；高阻地質體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據二次場衰減曲線的特征，就可以判斷前方地質體的電性、性質、規(guī)模和產狀等。因此，瞬變電磁作為一種時間域的人工源地球物理電磁感應探測方法，是根據地質構造本身存在的物性差異來間接判斷相關地質現象的一種有效的地質勘探手段。

2016-05-14