湯金云TANG Jin-yun；田樹斌TIAN Shu-bin

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610）

0 引言

“十三五”以來，為增強(qiáng)水旱災(zāi)害防御和供水灌溉保障能力，以150 項(xiàng)重大水利工程為代表的國家水網(wǎng)骨干工程建設(shè)持續(xù)提速，跨流域、跨區(qū)域引調(diào)水工程陸續(xù)開工建設(shè)。我國的地形地貌特點(diǎn)決定，深埋長隧洞是長距離引調(diào)水工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)水利工程施工階段超前地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作造成了巨大難題。

水利工程長距離隧洞跨度、埋深大，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，涌（突）水問題是常見地質(zhì)災(zāi)查明隧道掌子面前方富水異常體的空間分布，為隧洞掘進(jìn)工作保駕護(hù)航，可有效預(yù)防隧洞施工涌（突）水事故的發(fā)生，減輕生命和財(cái)產(chǎn)損失。

在超前預(yù)報(bào)工作中，由于工作機(jī)理、作業(yè)環(huán)境等客觀條件的制約，一些物探、鉆探等地質(zhì)方法的應(yīng)用受到很大限制，如超前地質(zhì)鉆探有“一孔之見”，很難對(duì)前方地質(zhì)體做出客觀、全面的評(píng)價(jià)；TSP 等地震技術(shù)對(duì)斷層及溶蝕破碎帶預(yù)報(bào)較準(zhǔn)確，對(duì)富水低阻異常體則反應(yīng)不明顯等。這需要相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)物探方法機(jī)理，合理選用探測(cè)手段。

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)深度靈活可控、抗噪聲能力強(qiáng)、目標(biāo)體分辨力高、現(xiàn)場作業(yè)效率高、無需地形校正等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于水利、公路、鐵路等行業(yè)的災(zāi)害水防治工作。瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)地下低阻異常體具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，適用于掌子面前方富水異常體的探測(cè)。

1 基本原理及技術(shù)特點(diǎn)

瞬變電磁法亦稱為時(shí)間域瞬變電磁法，英文全稱為Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM。瞬變電磁探測(cè)原理（以重疊回線為例）就是由主機(jī)向發(fā)射回線提供電流脈沖信號(hào)，并利用波形衰減變化產(chǎn)生向目標(biāo)體傳播的磁場。地下目標(biāo)體接受到磁場激勵(lì)后將會(huì)產(chǎn)生渦流變化，由于渦流而隨時(shí)間衰減，衰減過程一般分為早，中和晚期。早期的電磁場信號(hào)相當(dāng)于頻率域的高頻部分，衰減較快。一般地質(zhì)體導(dǎo)電性越好，則二次渦流場越強(qiáng)。當(dāng)主機(jī)關(guān)斷后，一次場即消失，地下目標(biāo)體產(chǎn)生的二次場則反射回來，被接收回線探測(cè)到。通過對(duì)二次場信號(hào)變化的持續(xù)接收和分析，就可以得到地下目標(biāo)體的地電信息。

瞬變電磁探測(cè)就是利用回線裝置向地下目標(biāo)體發(fā)射脈沖電磁信號(hào)，通過關(guān)斷裝置控制一次場的發(fā)射間隙，并同時(shí)利用接收裝置觀測(cè)反射二次渦流的探測(cè)方法。通過觀測(cè)關(guān)斷后各個(gè)時(shí)間序列的二次渦流場的變化特征，經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算，就可以得到地下目標(biāo)體不同深度的地質(zhì)信號(hào)特性，圖1 為瞬變電磁法半空間中的等效渦流環(huán)示意圖。

圖1 瞬變電磁法半空間中的等效渦流環(huán)示意圖

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)是通過關(guān)斷裝置的控制，觀測(cè)純二次渦流場，剔除一次場的干擾和影響，發(fā)射脈沖中心頻率可根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體的空間信息進(jìn)行選擇，其基本原理是不同頻率的電磁波在地質(zhì)體中傳播的速度是不同的，相應(yīng)的其探測(cè)深度亦不相同，即通過時(shí)間序列的選擇調(diào)整探測(cè)深度，這就是時(shí)深轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)，時(shí)間和空間的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，大大提高了瞬變電磁探測(cè)技術(shù)處理效率；另一顯著特點(diǎn)就是瞬變電磁探測(cè)可以做到收發(fā)一體，受地形旁側(cè)影響小，目標(biāo)體的耦合效果好，異常反應(yīng)明顯，不足之處在于探測(cè)深度與裝置等效面積相關(guān)，受場地大小影響較大，而多匝小回線重疊裝置的發(fā)射回線自感及互感大，導(dǎo)致淺層二次場信號(hào)被淹沒，存在一定的探測(cè)盲區(qū)。

2 超前預(yù)報(bào)TEM 探測(cè)技術(shù)

2.1 現(xiàn)場工作技術(shù)

瞬變電磁探測(cè)現(xiàn)場工作技術(shù)主要分為兩個(gè)方面：即裝置選擇和測(cè)線設(shè)計(jì)。

在特定的作業(yè)環(huán)境中，從瞬變電磁眾多裝置類型中選擇合適的方案，有著很多制約條件。制約條件按類型區(qū)分為探測(cè)目標(biāo)體物理特性和外部作業(yè)環(huán)境兩大類，如目標(biāo)體地電特性、地形條件、噪聲環(huán)境等。探測(cè)目標(biāo)的物理參數(shù)如空間分布、大小、埋深、電導(dǎo)率則決定了回線裝置邊長大小、匝數(shù)、供電電壓、時(shí)間序列等主要探測(cè)參數(shù)的選擇。裝置選擇的指導(dǎo)思想就是盡量提高接收信號(hào)的信噪比，壓制天電、工頻干擾等各種電磁干擾信號(hào)對(duì)二次場的影響，保證信號(hào)質(zhì)量滿足探測(cè)要求。

瞬變電磁探測(cè)的回線裝置可分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分，可分體布置，也可收發(fā)一體。受隧洞掌子面現(xiàn)場條件制約，隧洞地質(zhì)超前探測(cè)一般優(yōu)先選用多匝小回線重疊裝置（如圖2（a）），其主要優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場作業(yè)便捷、探測(cè)目標(biāo)體耦合好；缺點(diǎn)是發(fā)射回線感應(yīng)信號(hào)對(duì)接收回線造成一定影響，導(dǎo)致早期信號(hào)丟失，造成探測(cè)盲區(qū)。

超前探測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在隧洞掌子面（如圖2（b）），即從隧洞掌子面一側(cè)開始，測(cè)點(diǎn)數(shù)量、位置及探測(cè)角度根據(jù)隧洞現(xiàn)場條件進(jìn)行布置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可設(shè)置多個(gè)探測(cè)方向，即使天線的法線方向與隧洞掌子面分別成上傾，直立和下傾的多夾角，對(duì)掌子面頂板、水平層和底板進(jìn)行探測(cè)，即在多個(gè)角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形探測(cè)技術(shù)。

圖2 超前探測(cè)裝置示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

瞬變電磁處理與解釋軟件是筆者根據(jù)自行編制一款電磁數(shù)據(jù)處理與解釋軟件（如圖3（a））。系統(tǒng)能讀取和處理國內(nèi)外常用瞬變電磁數(shù)據(jù)格式，處理與解釋人機(jī)界面效果好、效率高，主要功能由工區(qū)數(shù)據(jù)管理、人文噪聲校正、數(shù)字濾波、成果圖件繪制和三維可視化解釋等，可根據(jù)需要，分區(qū)或批量處理瞬變電磁數(shù)據(jù)。

圖3 瞬變電磁處理與解釋系統(tǒng)示意圖

圖4 為瞬變電磁超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理成果示意圖。利用筆者編制的處理解釋軟件，調(diào)用數(shù)據(jù)提取、視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)換、超前探測(cè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等子模塊并結(jié)合Surfer 繪圖軟件，即可快速便捷地處理和解釋瞬變電磁超前探測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理成果示意圖

3 工程實(shí)例

某水工引水隧洞工程位于貴州省南部部地區(qū)，是中型水庫樞紐工程二期灌區(qū)部分重要節(jié)點(diǎn)。引水隧洞全長2.67km，開挖洞徑4.5m，全部采用鉆爆法施工。根據(jù)工程地質(zhì)及施工安全控制要求，需對(duì)掌子面前端巖層裂隙的富水性進(jìn)行探測(cè)。

本次水工隧洞掌子面瞬變電磁超前探測(cè)使用的儀器為澳大利亞產(chǎn)瞬變電磁儀。根據(jù)相關(guān)軟件正演模擬和現(xiàn)場測(cè)試，確定回線大小和匝數(shù)、關(guān)斷時(shí)間類型、時(shí)間序列、發(fā)射頻率、疊加次數(shù)和增益等采集參數(shù)，選擇邊長為2m×2m的重疊回線裝置（發(fā)射回線20 匝，接收回線40 匝），時(shí)間序列為Long Time Series，關(guān)斷時(shí)間和發(fā)射頻率為儀器固化且自動(dòng)設(shè)置，疊加次數(shù)為128 次，采樣間隔為1.0m。探測(cè)方向（回線法線與探測(cè)地層夾角）選取上傾45°水平順層、下傾45°，采用用全站儀進(jìn)行輔助測(cè)點(diǎn)定位。

圖5 為隧洞0+465 位置瞬變電磁超前探測(cè)水平順層測(cè)線解釋成果圖。測(cè)線沿掌子面及兩側(cè)進(jìn)行布置，結(jié)合上傾45°測(cè)線 及下傾45°測(cè)線可見，掌子面（0+465）迎頭100m范圍內(nèi)呈閉視電阻率等值線無明顯異常變化，可推測(cè)在隧洞掌子面（0+465）迎頭前方100m 范圍內(nèi)沒有富水區(qū)域，后經(jīng)超前鉆孔驗(yàn)證亦無富水異常構(gòu)造。

圖5 瞬變電磁超前探測(cè)水平順層測(cè)線解釋成果圖

通過瞬變電磁超前探測(cè)和鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合的連續(xù)滾動(dòng)觀測(cè)方式，可有效地查明掌子面前端的富水異常區(qū)域，為引水隧洞施工安全提供有效地?cái)?shù)據(jù)支撐。本次瞬變電磁法數(shù)據(jù)成果與部分鉆孔資料對(duì)比，可見：瞬變電磁法能有效地探測(cè)富水異常等不良地質(zhì)的存在，但由于理論的時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算基于地面半空間電磁理論，導(dǎo)致實(shí)際解釋的異常深度誤差較大；異常體本身的低阻屏蔽效應(yīng)，使得解釋富水異常的大小存在一定的困難。

本次瞬變電磁超前探測(cè)滿足工程安全施工要求，為地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為隧洞安全施工提供有效保障。實(shí)踐表明，通過分析對(duì)比隧洞的工程地質(zhì)特性與瞬變電磁數(shù)據(jù)成果，合理布局，能高效、準(zhǔn)確地探明引水隧洞掌子面前端富水異常分布情況。

4 小結(jié)

通過上述探測(cè)實(shí)踐表明，在合適的勘探深度下，利用瞬變電磁法對(duì)富水異常反映能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，應(yīng)用瞬變電磁法對(duì)突（涌）水等不良工程地質(zhì)異常進(jìn)行探測(cè)和評(píng)價(jià)，結(jié)合已知地質(zhì)和鉆探資料，可大大提高數(shù)據(jù)解釋成果的準(zhǔn)確性，是地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的有效手段。