三維轉(zhuǎn)角瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測技術(shù)在隧道中的應(yīng)用

趙文軻， 劉明偉

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

隨著我國鐵路、公路建設(shè)向山區(qū)不斷延伸，隧道建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模迅速增長。為了確保隧道施工安全，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作已成為施工過程中的重要環(huán)節(jié)[1-2]，預(yù)報(bào)方法有地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法[3]。瞬變電磁法是由地表瞬變電磁勘探方法演變過來的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[4-6]。

近10年，瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法已被廣泛應(yīng)用。本文基于較成熟的多匝重疊小回線瞬變電磁超前探測技術(shù)，以楊柳隧道為依托，開展隧道三維轉(zhuǎn)角瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測，通過應(yīng)用實(shí)例探討三維轉(zhuǎn)角探測方式在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的效果[7]。

1 三維瞬變電磁預(yù)報(bào)技術(shù)工作原理[8-9]

瞬變電磁法(簡稱TEM)是一種時(shí)間域的電磁探測方法，以接地導(dǎo)線或不接地回線通以脈沖電流做為場源，以激勵探測目的物感應(yīng)二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時(shí)間變化的響應(yīng)，二次場的變化反映了周圍地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性分布。預(yù)報(bào)中采用重疊回線的磁偶源激發(fā)的方式，以均勻大地的瞬變電磁響應(yīng)為例，在矩形發(fā)射回線中供以階躍脈沖電流，電流斷開前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的一次磁場，如圖1所示。

在發(fā)射間歇，通過接收裝置測量圍巖介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場信息隨時(shí)間的變化值，當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造存在低阻體(如水)時(shí)，其導(dǎo)電性較圍巖明顯變強(qiáng)，接收到的二次場信號將發(fā)生變化，通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和解譯，可探測掌子面前方低阻(充水充泥)地質(zhì)構(gòu)造體的分布情況。

隧道掌子面瞬變電磁三維探測技術(shù)利用多匝小線圈(邊長小于3 m方形回線)，通過重疊回線接收方式將收發(fā)裝置的中心平行布置，平移收發(fā)裝置，多點(diǎn)時(shí)間域探測掌子面前方一定體積范圍內(nèi)圍巖低阻區(qū)分布情況，多個(gè)測點(diǎn)形成的網(wǎng)格剖面經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的三維空間數(shù)據(jù)點(diǎn)?？臻g數(shù)據(jù)坐標(biāo)通過后期視電阻率計(jì)算、時(shí)間深度轉(zhuǎn)換，空間網(wǎng)格化成對應(yīng)的視電阻率等勢面空間分布圖，并結(jié)合隧道水文地質(zhì)條件，推測掌子面前方富水構(gòu)造的分布情況[10-12]。

2 轉(zhuǎn)角三維探測方式及三維計(jì)算

2.1 轉(zhuǎn)角三維探測方式

傳統(tǒng)的陣列式探測通過在掌子面進(jìn)行線框平移實(shí)現(xiàn)探測，獲取掌子面正前方的地質(zhì)信息。具體測點(diǎn)布置如下：在掌子面布置點(diǎn)距為1 m的測點(diǎn)陣列，采用單點(diǎn)發(fā)射、單點(diǎn)接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2車道隧道陣列大小為5 m×6 m，共42個(gè)測點(diǎn)；3車道隧道陣列大小為5 m×9 m，共60個(gè)測點(diǎn)。若探測成功可控制掌子面前方80 m之內(nèi)的低阻異常信息。該種探測方式獲取的掌子面正前方信息豐富，全空間影響小，但對掌子面前方四周信息獲取有限，同時(shí)當(dāng)線圈靠近隧道拱圈的鋼架時(shí)，由于金屬體的存在，會造成信號的異常，形成強(qiáng)烈的背景場干擾，影響探測效果。

定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度三維探測是通過在掌子面布置不同方向的仰俯角和方位角進(jìn)行探測，獲取的是掌子面正前方及左右方位的地質(zhì)信息。該方法探測范圍較廣，對裂隙水的位置、大小及導(dǎo)通性可實(shí)現(xiàn)較好的判斷，探測主要是采用圖2方法進(jìn)行探測。具體測點(diǎn)及測線布置如下：在掌子面隧道中心線處分別按仰俯角間隔10°布置9條測線，如圖2(a)所示：仰角40°，仰角30°，仰角20°，仰角10°，0°，俯角10°，俯角20°，俯角30°，俯角40°；每條測線上布設(shè)9個(gè)測點(diǎn)，如圖2(b)所示：左側(cè)40°、30°、20°、10°、正前方(水平0°)，右側(cè)10°、20°、30°、40°。合計(jì)布設(shè)81個(gè)測點(diǎn)，可獲取掌子面前方以掌子面為頂點(diǎn)的80°錐形體范圍內(nèi)的信息。一般二維數(shù)據(jù)采集至少11個(gè)點(diǎn)算，時(shí)間為4 min；三維定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度探測時(shí)間約為27 min。

(a) 測線布置側(cè)視圖

(b) 測點(diǎn)布置俯視圖

目前可采用機(jī)器人控制的碳纖維自動轉(zhuǎn)角架進(jìn)行探測，減少了人為操作重復(fù)造成的轉(zhuǎn)角誤差，提高了探測速度，且具有便攜性，如圖3所示。

注：1-發(fā)射天線；2-接收天線；3-固定連接；4-連接桿；5-天線單元上設(shè)置的固定塊；6-收發(fā)天線間距；7-擺動球包；8-擺動止端限位的擺動限位塊；9-橫向兩側(cè)設(shè)置有擺動開口槽；10-球鉸連接的轉(zhuǎn)動球體；11-轉(zhuǎn)動開口槽；12-轉(zhuǎn)動限位塊。

(b) 一體化轉(zhuǎn)角天線平臺

2.2 三維探測的反演計(jì)算

瞬變電磁三維探測的正演[13]及反演[14]已有相當(dāng)多的研究。進(jìn)行瞬變電磁或時(shí)間域電磁勘探正演問題三維求解主要有4類方法，即體積分方程法(VIE)、有限單元法(FEM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)和有限體積法(FV)。瞬變電磁反演計(jì)算有用信號主要集中在中晚期，為此，可用晚期的視電阻率公式計(jì)算視電阻率，不同測道視電阻率計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：d為傳播深度；t為傳播時(shí)間；μ0為真空中的磁導(dǎo)率；dB(t)/dt為磁場隨時(shí)間的變化；V/I為歸一化感應(yīng)電位；I為發(fā)射電流；SN為發(fā)射線框等效面積；R為接收線框等效面積。

主要步驟為：1) 將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系，獲得轉(zhuǎn)角測量采集的三維數(shù)據(jù)；2) 通過時(shí)-深反演得到電阻率的深度數(shù)據(jù)；3) 在三維繪圖軟件插值繪制三維視電阻率圖形。

3 三維轉(zhuǎn)角瞬變電磁探測應(yīng)用

重慶某鐵路楊柳隧道起訖里程D1K202+010～D2K221+815，正線全長19.805 km，正洞依次穿越頁巖、頁巖夾灰?guī)r地層(1 328 m)，泥質(zhì)白云巖夾頁巖(砂巖)地層(7 288 m)，灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地層(1 794 m)。穿越區(qū)地下水類型主要為碳酸巖類裂隙溶洞水，另在巖溶洼地和沖溝溝槽第四系松散堆積物中賦存有少量松散巖類孔隙水。在采用全斷面開挖至隧道2#橫洞掌子面D2K207+835時(shí)，出現(xiàn)多處雨淋狀出水，正拱頂上部超前炮孔股狀涌水，噴涌距離約3 m，出水量達(dá)100 m3/h，截止本次探測已穩(wěn)定出水3 d，數(shù)據(jù)采集時(shí)底部有大量積水，如圖4所示。此段原設(shè)計(jì)勘察無明顯斷層及破碎帶，但提示可能發(fā)育巖溶。

圖4 掌子面拱部涌水照片

根據(jù)現(xiàn)場情況，采用三維轉(zhuǎn)角瞬變電磁探測方式探測，再依據(jù)前文數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行處理。處理后得到不同仰角水平方向探測剖面圖，如圖5所示。掌子面前方10 m～60 m段不同深度切片如圖6(a)所示，掌子面前方瞬變電磁超前探測三維可視化如圖6(b)、(c)所示。

圖5、圖6中，橫軸(X)為水平距離，縱軸(Y)為深度，豎軸(Z)為高度。剖面圖中不同顏色代表不同的電阻率分布情況，其中白色-灰色-深灰色代表該區(qū)域是相對高電阻率分布；灰色(或深灰色)-黑色代表該區(qū)域?yàn)橄鄬Φ碗娮杪史植肌?/p>

圖5 探測剖面

(1) 正視圖(2) 俯視圖(3) 側(cè)視圖(a) 掌子面前方10 m～60 m段不同深度切片圖(1) 正視圖(2) 俯視圖(3) 側(cè)視圖(b) 掌子面前方探測邊界渲染圖(c) 掌子面前方視電阻率值的異常等值面圖單位:m圖6 掌子面前方瞬變電磁超前探測三維可視化圖Fig.6 3D visualization maps of transient electromagnetic advanced detection in front of the tunnel face

本隧道的瞬變電磁法探測有效范圍 10 m～80 m，其中0 m～10 m 范圍內(nèi)為探測盲區(qū)，無法對該范圍內(nèi)水害發(fā)育情況進(jìn)行判斷。探測結(jié)果可以看出，掌子面前方電阻率整體較低(為灰色或深灰色、黑色)，基巖裂隙水較發(fā)育，多淋雨?duì)?股狀出水，并劃分出2處電阻率相對較低的富水區(qū)域段落，分別為：低阻異常YC1(掌子面上部前方，深度方向約15 m后)和低阻異常YC2(掌子面前方偏左30 m～65 m)。

低阻異常YC1主要分布在掌子面前方上部，深度約15 m后，掌子面中部正前方方向。該區(qū)域視電阻率較低，富水范圍較大，初步推斷為水害流通通道、斷層破碎帶等富水區(qū)域；該低阻區(qū)域連通性較好，水源補(bǔ)給性較好，揭露后會出現(xiàn)較大范圍涌突水，水量較大。

低阻異常YC2位于距離掌子面前方30 m～65 m處，掌子面前方左側(cè)區(qū)域，視電阻率較低。該異常為背景場或干擾信號，異常等值線圖中顯示局部深灰色，推斷為水害富集區(qū)域；該區(qū)域視電阻率變化較大，視電阻率值較低，范圍較大，初步推斷為巖溶構(gòu)造、斷層破碎帶等富水區(qū)域；該水害區(qū)域較大，左側(cè)延伸至探測邊界外，揭露后表現(xiàn)為涌突水，水量較大。

預(yù)報(bào)解譯結(jié)果提供后，施工采取“排堵結(jié)合”處理方式，安全順利通過了本段富水不良地質(zhì)體段落，在后續(xù)的開挖中，本次瞬變電磁探測成果中異常地質(zhì)區(qū)分布范圍與實(shí)際開挖后揭露情況吻合較好，開挖輪廓線以外的出水點(diǎn)集中在左側(cè)和上部，表明了轉(zhuǎn)角三維瞬變電磁探測法對低阻異常地質(zhì)構(gòu)造的探測效果、轉(zhuǎn)角探測方式相較點(diǎn)陣平移式探測方式能探測更大的響應(yīng)范圍，達(dá)到定量低阻異常區(qū)域超前預(yù)報(bào)的目的，保證隧道施工安全。

4 結(jié)論

1) 瞬變電磁法超前探測定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度探測方式，利用不同仰、俯角布設(shè)測線，在同一測線上再間隔一定方位角布置測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在掌子面范圍有限空間的三維數(shù)據(jù)采集，保證了數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，并對掌子面前方及四周多方位探測和信息反饋，為后期三維可視化出圖提供數(shù)據(jù)支持。

2) 自動轉(zhuǎn)角三維瞬變電磁探測設(shè)備及方法減少了平移探測時(shí)間，降低了隧道鋼架背景場干擾，提高了探測效率；人員不需要長時(shí)間在掌子面探測數(shù)據(jù)，提高了復(fù)雜地質(zhì)條件下掌子面探測的安全性。

3) 楊柳隧道轉(zhuǎn)角三維瞬變電磁探測結(jié)果表明，該方法可有效探測低阻異常不良地質(zhì)體，并且根據(jù)三維數(shù)據(jù)后處理和可視化軟件，實(shí)現(xiàn)異常體的“定量”空間展示成果，為隧道安全施工提供數(shù)據(jù)支撐。