李枝文

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 404100)

1 瞬變電磁法基本原理及觀測(cè)系統(tǒng)布置方式

瞬變電磁法的激發(fā)場(chǎng)源通常有兩種，一種是接地電極形式的電流源，另一種是回線形式的磁源。以下以理想條件下的瞬變電磁響應(yīng)為例，探討使用回線裝置的磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場(chǎng)，進(jìn)而簡(jiǎn)要闡明其探測(cè)的理論基礎(chǔ)。

假設(shè)在導(dǎo)電率為σ、導(dǎo)磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線裝置，同時(shí)在回線中供以階躍脈沖電流

(1)

在持續(xù)穩(wěn)定供電之前(t<0時(shí))，一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)會(huì)在回線裝置四周的大地和空間建立起來(lái)，如圖1所示。

圖1 矩形框磁力線

若在t=0時(shí)刻，突然斷開(kāi)電流，在一次場(chǎng)斷電后，感應(yīng)的二次場(chǎng)就會(huì)在地下介質(zhì)中產(chǎn)生，由于感應(yīng)電流在良導(dǎo)電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生明顯的熱損耗，二次場(chǎng)基本上呈指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減，這樣就形成了瞬變電磁場(chǎng)。二次場(chǎng)的主要來(lái)源是良導(dǎo)體介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，因此它含有地下介質(zhì)相關(guān)的重要地質(zhì)信息，尤其是含水體等良導(dǎo)體信息。利用回線裝置接收二次場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋，可以推斷地下介質(zhì)和相關(guān)物理參數(shù)情況。

瞬變電磁在超前探測(cè)應(yīng)用中通常采用多匝重疊回線裝置的裝置形式，發(fā)射線框采用多匝1.5 m×1.5 m矩形回線。為了多角度綜合判斷前方地質(zhì)情況，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采用縱向、橫向和沿著掌子面前方逐點(diǎn)探測(cè)三種方式掃描，縱向方向掃描上下各60°范圍，每10°一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共13個(gè)測(cè)點(diǎn)；橫向方向掃描左右各60°范圍，每10°一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共13個(gè)測(cè)點(diǎn)，橫向共采集仰角0°、仰角30°兩個(gè)方向上的數(shù)據(jù)；掌子面正前方離底板約2 m布置一條橫測(cè)線，每隔2 m探測(cè)一次?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置方式示意圖如圖2～圖3。

圖2 掌子面縱向扇形探測(cè)示意圖

圖3 掌子面橫向扇形探測(cè)示意圖

2 瞬變電磁法的資料解釋

渝廣高速公路華鎣山隧道位于重慶市北碚區(qū)靜觀鎮(zhèn)，隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜，隧址區(qū)巖溶非常發(fā)育，溶蝕洼地、溶洞、暗河等不良地質(zhì)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中均可能出現(xiàn)，且地下水補(bǔ)給充足。為了初步查明掌子面前方地層含水情況，考慮將瞬變電磁法應(yīng)用到實(shí)地探測(cè)中。探測(cè)時(shí)掌子面所在樁號(hào)為Z2K26+221，掌子面巖性為泥灰?guī)r，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，方解石充填，層理清楚，圍巖干燥。

瞬變電磁法的資料解釋通常包括以下幾步：首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，視電阻率曲線依據(jù)晚期場(chǎng)公式計(jì)算得到，然后進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換可以得到各條測(cè)線的視電阻率剖面圖，最后依據(jù)探測(cè)區(qū)域的電性剖面圖同時(shí)結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析解釋，可以定性推斷地層含水區(qū)分布狀況。

(1)縱向扇形探測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換等步驟，可得到如圖5視電阻率等值線圖。由圖4可知，掌子面正前方88～100 m、拱頂方向0～20 m范圍內(nèi)視電阻率相對(duì)較低，推測(cè)該區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育含水區(qū)域。

圖4 縱向扇形探測(cè)視電阻率等值線圖

(2)橫向扇形探測(cè)(仰角0°)探測(cè)情況

橫向扇形探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，可得如下圖5視電阻率等值線圖。由圖5可知，掌子面正前方90～100 m、左側(cè)10 m～右側(cè)38 m范圍內(nèi)視電阻率值相對(duì)較低，推測(cè)該區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育含水區(qū)域或巖溶裂隙含水帶。

圖5 橫向扇形探測(cè)(仰角0°)視電阻率等值線圖

(3)橫向扇形探測(cè)(仰角30°)探測(cè)情況

橫向扇形探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，可得如圖6視電阻率等值線圖。由圖6可知，掌子面正前方92～100 m、左側(cè)0 m～右側(cè)30 m范圍內(nèi)視電阻率值相對(duì)較低，推測(cè)該區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育含水區(qū)域或巖溶裂隙含水帶。

圖6 橫向扇形探測(cè)(仰角30°)視電阻率等值線圖

(4)掌子面正前方探測(cè)情況

掌子面正前方探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，可得如圖7視電阻率等值線圖。由圖7可知，掌子面正前方100 m范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯低阻異常。

圖7 掌子面正前方視電阻率等值線圖

3 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)物探成果并結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析，可推斷得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

①掌子面正前方88～100 m、拱頂方向0～20 m范圍內(nèi)(樁號(hào)Z2K26+133～Z2K26+121區(qū)域)視電阻率相對(duì)較低，推測(cè)該區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育含水區(qū)域，主要來(lái)自拱頂方向。

②掌子面正前方90～100 m、左側(cè)10 m～右側(cè)38 m范圍內(nèi)(樁號(hào)Z2K26+131～Z2K26+121區(qū)域)視電阻率值相對(duì)較低，分析為巖溶發(fā)育含水區(qū)域；掌子面正前方92～100 m、左側(cè)0 m～30 m范圍內(nèi)(樁號(hào)Z2K26+129～Z2K26+121區(qū)域)視電阻率值相對(duì)較低，推測(cè)該區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育含水區(qū)域或巖溶裂隙含水帶。綜合分析，在掘進(jìn)到上述區(qū)域附近時(shí)即樁號(hào)Z2K26+133～Z2K26+121段施工可能發(fā)生突水突泥等危險(xiǎn)，需采取相應(yīng)安全措施。

(2)建議在物探異常區(qū)，應(yīng)采用超前鉆探手段對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步修正前方預(yù)測(cè)的地質(zhì)情況，特別是在施工穿越受巖溶或裂隙發(fā)育影響的Z2K26+133～Z2K26+121段，主要為來(lái)自拱頂和左邊墻方向的影響，應(yīng)優(yōu)化施工工藝，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，提前做好防突泥、防突水、防坍塌等相關(guān)應(yīng)急措施。

(3)施工中如出現(xiàn)涌水量突變的情況，應(yīng)及時(shí)撤離人員，并向有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)。