繆強(qiáng)（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(yīng)用技術(shù)研究

繆強(qiáng)
（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(jìn)行的高速公路建設(shè)中，大埋深及大跨度的隧道相繼多有出現(xiàn)，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(yīng)用日益廣泛。針對大埋深條件下隧道水害的特點(diǎn)，探討瞬變電磁法隧道超前探測的施工工藝及數(shù)據(jù)處理解釋方法。結(jié)合大埋深隧道瞬變超前探測實(shí)例，表明瞬變電磁法對隧道前方富水區(qū)具有較好的反應(yīng)，方法有效可靠，能為隧道安全施工提供有效指導(dǎo)。

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(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，在西部丘陵和山區(qū)的高速公路建設(shè)項(xiàng)目也日益增多，大埋深及大跨度的隧道相繼出現(xiàn)。而高海拔山區(qū)的隧道穿越的工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)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(zhì)災(zāi)害，而其中又以涌水問題最為普遍與嚴(yán)重。隧道涌水往往會對施工人員及設(shè)備構(gòu)成較大的威脅，有可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(zhì)預(yù)報(bào)，對隧道的安全發(fā)揮著巨大的作用。

目前，國內(nèi)外多采用地質(zhì)學(xué)方法與物探方法相結(jié)合并輔以超前鉆探等來實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用的物探方法主要有TSP法、TGP法、TST法、地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)構(gòu)造做預(yù)測預(yù)報(bào)。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(yīng)用到大埋深隧道水害問題的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，并取得了較好的應(yīng)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(shí)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(lì)地層介質(zhì)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(jìn)行，瞬變電磁場呈全空間分布，全空間效應(yīng)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(shí)，需根據(jù)線圈平面的法線方向并結(jié)合地質(zhì)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(xiàn)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(zhì)預(yù)報(bào)方法有很大的不同，主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

1）受掌子面施工空間所限，無法采用地面瞬變電磁數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shè)備輕便，工作效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)；

2）由于采用小線圈測量，點(diǎn)距更密（一般小于10m），體積效應(yīng)降低，橫向分辨率提高，再者數(shù)據(jù)采集裝置靠近目標(biāo)體，異常體感應(yīng)信號較強(qiáng)，具有較高的探測靈敏度；

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

4）隧道現(xiàn)場施工時(shí)，測量數(shù)據(jù)容易受到金屬物（臺車、金屬支架、管道等）的干擾，需要在現(xiàn)場測量時(shí)盡量遠(yuǎn)離金屬體，在資料處理解釋中進(jìn)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(gòu)造、富水區(qū)預(yù)測水文地質(zhì)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(zhì)異常響應(yīng)強(qiáng)、易于識別地質(zhì)異常體、施工方便，結(jié)合隧道超前探測的工作環(huán)境及探測任務(wù)，在探測過程中，通常選用重疊回線裝置形式。

3.1裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

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

回線邊長與匝數(shù)的選擇由地質(zhì)探測任務(wù)決定。線圈邊長越小，其體積效應(yīng)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(shù)、終端窗口、增益等其他參數(shù)，正式工作前可通過試驗(yàn)加以確定。實(shí)際參數(shù)的選擇，通常兼顧能有效完成探測任務(wù)和實(shí)際探測的工作效率[3]。

3.2測線布置

根據(jù)多匝小線框發(fā)射電磁場的方向性，可認(rèn)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(dāng)?shù)难鼋呛透┙欠较颍?0毅或45毅）進(jìn)行探測，測點(diǎn)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(jìn)方向進(jìn)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(cè)線布置示意圖

圖4　扇形側(cè)線布置示意圖

3.3數(shù)據(jù)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(shí)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(cè)幫的金屬支護(hù)；（3）風(fēng)水管等各種金屬設(shè)施。這些金屬設(shè)施在隧道瞬變電磁法探測中能產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng)。因此在數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)盡量排除現(xiàn)場金屬干擾的影響，臺車、裝載機(jī)等金屬設(shè)備應(yīng)盡量后撤，可移動的金屬也應(yīng)盡量搬離探測現(xiàn)場。數(shù)據(jù)采集過程中，對探測現(xiàn)場較均一的金屬干擾，數(shù)據(jù)處理時(shí)可作為一種背景進(jìn)行校正，對于探測現(xiàn)場孤立且不便移動的金屬設(shè)備，在實(shí)測時(shí)應(yīng)偏移測點(diǎn)位置盡量避開，同時(shí)做好記錄，以便在資料解釋時(shí)排除此類影

響[5,6]。

4　隧道瞬變電磁法應(yīng)用實(shí)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(zhì)灰?guī)r夾白云巖、泥灰?guī)r、泥巖等。區(qū)域內(nèi)巖層以碳酸鹽巖為主，隧道施工區(qū)域內(nèi)巖溶較為發(fā)育，多處存在涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害隱患。施工過程中采用瞬變電磁技術(shù)進(jìn)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(jìn)的施工安全。

在隧道ZK25+303m處進(jìn)行瞬變電磁超前探測，數(shù)據(jù)采集采用中煤科工集團(tuán)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(shè)備在井巷勘探工程應(yīng)用技術(shù)方面處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。探測側(cè)線采用扇形方式布設(shè)，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，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(shù)為64次，關(guān)斷時(shí)間3滋s，采樣間隔2滋s?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經(jīng)過道編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)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(xiàn)掌子面正前方55～70m范圍內(nèi)（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(nèi)（虛線圈定區(qū)域）視電阻率相對較低，結(jié)合有關(guān)地質(zhì)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(qiáng)。經(jīng)開挖驗(yàn)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(gòu)造發(fā)育，與預(yù)報(bào)結(jié)果一致。

5　結(jié)論

1）瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)靈敏，可利用其進(jìn)行對受水害威脅的大埋深隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，實(shí)際應(yīng)用效果表明，該方法對富水體的預(yù)報(bào)具有良好的效果；

2）對異常區(qū)富水性的確定，應(yīng)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(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等因素，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；

3）從瞬變電磁探測效果看，因?yàn)樗沧冸姶欧ㄌ赜械年P(guān)斷效應(yīng)，使得探測中前方20m以內(nèi)的數(shù)據(jù)不可靠，即通常所說的瞬變電磁探測的“盲區(qū)”；另外，因?yàn)樗沧冸姶盘綔y是一種基于電阻率的地球物理方法，現(xiàn)場的臺車等金屬體會對探測結(jié)果造成一定影響，探測過程中應(yīng)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(shù)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(zhì)分析、地質(zhì)鉆探相結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)場具體水文地質(zhì)情況綜合分析，盡量降低物探資料的多解性。同時(shí)應(yīng)該注意收集掘進(jìn)過程中揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，與瞬變資料進(jìn)行對比分析，提高瞬變電磁的準(zhǔn)確性與針對性，為隧道的安全掘進(jìn)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(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),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(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,34(4):414－417.

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

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

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

【6】薛國強(qiáng),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(zhì)構(gòu)造[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)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(qiáng)（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(yīng)二次場。簡單來說，即在電流斷開之前（t<0時(shí)），發(fā)射電流在回線周圍與大地空間中建立起一個(gè)穩(wěn)定的磁場（見圖1），在t=0時(shí)刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)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(zhì)體受激勵(lì)引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場（按指數(shù)規(guī)律衰減）。地質(zhì)層介質(zhì)被激勵(lì)所感應(yīng)的二次渦流場強(qiáng)弱決定于地層介質(zhì)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(zhì)的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以判斷前方地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等。因此，瞬變電磁作為一種時(shí)間域的人工源地球物理電磁感應(yīng)探測方法，是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造本身存在的物性差異來間接判斷相關(guān)地質(zhì)現(xiàn)象的一種有效的地質(zhì)勘探手段。

2016-05-14