張旭杰

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710000)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在隧道開挖工作中對(duì)隧道中的圍巖和地層等情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的一種手段,其有利于分析該區(qū)域的地質(zhì)情況,并可根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的施工等工作。常見的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有高密度電阻法、瞬變電磁法、地震波法和聲波法等。其中,瞬變電磁法對(duì)水比較敏感,并且探測(cè)的距離遠(yuǎn),適用于引水隧洞的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

1 瞬變電磁法基本原理及特點(diǎn)

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)也稱時(shí)間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods,TEM),是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ),并利用接地導(dǎo)線等線路,以脈沖電流作為場(chǎng)源,通過分析電場(chǎng)中二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的響應(yīng),分析地下介質(zhì)的電性變化情況,進(jìn)而了解探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)情況[1]。瞬變電磁法的工作原理是利用電磁感應(yīng)定律分析電磁場(chǎng)變化,當(dāng)使用瞬變電磁法發(fā)射脈沖磁場(chǎng)時(shí),電磁場(chǎng)的衰減過程可分為早期、中期、晚期,而三個(gè)時(shí)期的電磁場(chǎng)又呈現(xiàn)不同的狀態(tài),早期的電磁場(chǎng)衰減快、趨膚深度小,中期的電磁場(chǎng)衰減速度適中、趨膚深度適中,而晚期的電磁場(chǎng)衰減滿、趨膚深度大。通過分析斷電后不同時(shí)間段的二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律,能進(jìn)一步分析得出不同深度的地電特征,并基于此確定探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)情況[2]。

根據(jù)瞬變電磁法的基本原理,該方法具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。(1)在應(yīng)用時(shí)其能將頻率域的精度問題轉(zhuǎn)化為靈敏度問題,在探測(cè)時(shí)通過增加設(shè)備的功率和靈敏度就能增大信噪比,從而加深探測(cè)的深度。(2)采用同點(diǎn)組合進(jìn)行探測(cè)有助于提高探測(cè)的精度。(3)在實(shí)際的探測(cè)工作中,由于對(duì)線圈的布置要求不高,整體工作操作比較簡(jiǎn)單,工作效率也比較高。(4)由于使用該方法進(jìn)行探測(cè)時(shí)能穿透低阻,因此其探測(cè)深度大,可滿足較深隧洞的探測(cè)需求。(5)該方法能使剖面測(cè)量和測(cè)深工作同時(shí)完成,進(jìn)一步提高工作效率[3]。

2 瞬變電磁法在隧洞中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展,在工程中面臨的各種極端環(huán)境也越來越多,瞬變電磁法由于其探測(cè)深度大、工作效率高等特點(diǎn),在地面和隧洞的工程建設(shè)中均有廣泛的應(yīng)用。但其在隧洞中的應(yīng)用的間較短,在上世紀(jì)末時(shí)仍處于研究和試行階段。相比在地面上的應(yīng)用,瞬變電磁法在隧洞中的應(yīng)用有以下三點(diǎn)特征。

(1)由于隧洞與地面不同,其內(nèi)場(chǎng)是全空間的,在使用瞬變電磁法進(jìn)行探測(cè)時(shí),所獲取的探測(cè)信息包含布置線圈周邊的地質(zhì)信息。(2)隧洞不如地面空間廣闊,在探測(cè)時(shí)不能通過增加線圈尺寸來增加探測(cè)范圍,一般需要通過增加線圈匝數(shù)來增加探測(cè)范圍。(3)外界因素影響大,雖然超前預(yù)報(bào)工作一般在施工之前進(jìn)行,但此時(shí)場(chǎng)地仍包含各種施工機(jī)器和設(shè)備,此類機(jī)器和設(shè)備一般由金屬制成,在使用瞬變電磁法時(shí)可能會(huì)影響隧洞內(nèi)的電磁場(chǎng),從而影響超前預(yù)報(bào)結(jié)果。

針對(duì)以上三點(diǎn)問題,目前第一點(diǎn)仍未形成較好的解決辦法,但針對(duì)某些情況,可近似地認(rèn)為整個(gè)環(huán)境是半空間的,例如在隧道掌子面尺寸大于發(fā)送回線邊長(zhǎng)5倍時(shí)。針對(duì)第二點(diǎn)探測(cè)范圍的問題,目前已經(jīng)取得了較好的研究成果,目前比較常用的是惠州院和西安煤科院的研究成果,惠州院對(duì)收發(fā)線圈進(jìn)行了改進(jìn)[4],而西安煤科院使用磁探頭替代了原本的收發(fā)線圈,進(jìn)一步優(yōu)化了探測(cè)質(zhì)量[5]。針對(duì)第三點(diǎn)外界因素影響問題,也取得了一定研究進(jìn)展,一般可通過調(diào)整設(shè)備位置和距離來減輕其對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響,但由于某些設(shè)備和設(shè)施在設(shè)置后就難以移動(dòng),因此,此類設(shè)備和設(shè)施造成的影響難以解決。

3 瞬變電磁法在引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

3.1 工程概況

為研究瞬變電磁法在引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,以西北地區(qū)某引水工程的輸水隧洞為例開展分析。該隧洞全長(zhǎng)約31.9 km,包括閃石英片巖、石英片巖、花崗閃長(zhǎng)巖等巖脈。由于隧洞較長(zhǎng),其在不同洞段的地質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)均存在差異,因此,為分析不同洞段的隧洞情況,將整個(gè)隧洞根據(jù)大致的地質(zhì)和地層結(jié)構(gòu)分為若干段。其中一標(biāo)隧洞圍巖主要是灰白色前震旦系馬銜山群角閃石英片巖、花崗閃長(zhǎng)巖等,夾有部分石英巖脈,巖石呈弱風(fēng)化—微風(fēng)化。同時(shí)一標(biāo)中的洞段下穿某河,該河年徑流量為2 674.5萬m3,該洞段的洞頂距離河底部?jī)H有36 m,一旦該部分的巖層破裂或者巖層裂隙擴(kuò)大,很可能發(fā)生突涌,影響施工安全。七標(biāo)由三個(gè)處理段組成,包括1個(gè)軟硬巖和2個(gè)斷層,自上游至下游的巖層依次為安山巖、紅褐色斷層泥和角礫巖、砂礫巖。經(jīng)分析,整個(gè)隧洞的絕大部分洞段處于地下水位以下,在實(shí)際的探測(cè)和施工中,受地下水和隧洞深度的影響,需要對(duì)水敏感、探測(cè)距離遠(yuǎn)的探測(cè)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作?；诖?將瞬變電磁法作為該隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要探測(cè)方法,針對(duì)某些難以探測(cè)到的盲區(qū),使用探地雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)。

3.2 儀器設(shè)備、參數(shù)設(shè)置

本次探測(cè)使用到的主要儀器和設(shè)備為礦用瞬變電磁儀(西安煤科院研制,型號(hào)為YCS-2000A)。其基本參數(shù)設(shè)置見表1[6]。

表1 主要設(shè)備基本參數(shù)設(shè)置

3.3 測(cè)線布置

根據(jù)對(duì)隧洞的分析,采用測(cè)線布置[7]見圖1。其中,不同的角度代表發(fā)射線圈法線方向與掌子面的夾角。

圖(a)為本次工程隧洞的水平扇形掃描測(cè)線,箭頭指向方向的度數(shù)為與掌子面右壁的夾角;圖(b)為本次工程隧洞的垂向扇形掃描測(cè)線,箭頭指向方向的度數(shù)為與掌子面右壁的夾角。

3.4 探測(cè)方法

在使用瞬變電磁法進(jìn)行隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí),根據(jù)已確定的測(cè)線布置方式進(jìn)行儀器設(shè)備和測(cè)線的布置,此過程中需對(duì)場(chǎng)地周邊的儀器和設(shè)備進(jìn)行處理,對(duì)可移動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行移動(dòng),減少其對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響,對(duì)無法移動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行位置記錄,用以后續(xù)的探測(cè)結(jié)果分析。同時(shí),需注意以下技術(shù)的要求。(1)測(cè)線應(yīng)布置于地形平坦的場(chǎng)地,保證測(cè)線覆蓋所有探測(cè)區(qū)域,并盡量遠(yuǎn)離地面的各種設(shè)施,以減少其對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。(2)嚴(yán)格把控剖面方向及剖面長(zhǎng)度,剖面方向應(yīng)與隧洞走向垂直,剖面長(zhǎng)度應(yīng)結(jié)合正常場(chǎng)的長(zhǎng)度確定。(3)在進(jìn)行普查工作時(shí),對(duì)于重疊回線和中心回線,一般測(cè)線間距等于回線邊長(zhǎng)L,測(cè)點(diǎn)間距的大小為1/2L～L;對(duì)于大定源回線,測(cè)線間距和測(cè)點(diǎn)間距相比重疊回線和中心回線的要密一倍;此外,在進(jìn)行詳查工作時(shí),由于重疊回線的重疊覆蓋率可達(dá)到90%,因此,一般選擇大定源回線[8]。(4)在選擇采樣延時(shí)、線圈疊加次數(shù)、回線邊長(zhǎng)時(shí),應(yīng)通過實(shí)地試驗(yàn)和分析確定。(5)在鋪設(shè)回線時(shí),應(yīng)注意測(cè)線方位與測(cè)點(diǎn)間距的偏差,從而減少探測(cè)結(jié)果的誤差。(6)除需記錄場(chǎng)地周邊的影響因素外,還應(yīng)記錄地面的影響因素,考慮到本次工程的地理位置,應(yīng)記錄地質(zhì)、地貌、風(fēng)力等自然條件對(duì)讀數(shù)的影響。

3.5 數(shù)據(jù)處理方法

在使用礦用瞬變電磁儀獲取探測(cè)結(jié)果后,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,使用濾波方法處理數(shù)據(jù)中的噪聲干擾問題,由于不同響應(yīng)的剖面曲線和衰減曲線需使用不同的濾波方法。因此,在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理工作時(shí),需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波方法,常用的濾波方法有三點(diǎn)濾波法、四點(diǎn)濾波法、六點(diǎn)濾波法、卡爾曼濾波法和函數(shù)擬合法。其中,三點(diǎn)濾波法適用于衰減曲線和剖面曲線,四點(diǎn)濾波法和六點(diǎn)濾波法適用于剖面曲線,卡爾曼濾波法和函數(shù)擬合法適用于衰減曲線(在響應(yīng)無負(fù)值的情況下)[9]。在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理工作后,使用礦用瞬變電磁儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件作為數(shù)據(jù)處理解釋軟件,并按照以下原則進(jìn)行資料解釋。(1)異常的定性解釋原則,通過多種方法準(zhǔn)確區(qū)分正常場(chǎng)和異常場(chǎng),并根據(jù)異常的規(guī)模劃定異常等級(jí),例如,通過對(duì)比衰減曲線的緩慢程度確定正常場(chǎng)。(2)異常的半定量和定量解釋原則。使用該原則進(jìn)行資料解釋的目的是確定或檢驗(yàn)異常源的性質(zhì),并計(jì)算其埋深、產(chǎn)狀、規(guī)模等,可通過理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。此外,已知不同巖層的電阻率存在差異,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需考慮此方面因素的影響。

3.6 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果

利用瞬變電磁法進(jìn)行隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào),得出以下幾個(gè)洞段存在異常。第一處為一標(biāo)中的一處巖體儲(chǔ)水,具體情況如下。一標(biāo)上游掌子面中央垂向扇形掃描見圖2,該次掃描的探測(cè)范圍主要是石英片巖,因此,其視電阻率大于40 Ω·m。根據(jù)圖2可以分析得出,掌子面的正前方存在一個(gè)視電阻率低于40 Ω·m的低阻團(tuán)(圖中虛線圓圈處),該低阻團(tuán)距離掌子面的距離約為62 m,橫截面積約為63.6 m2,由于此洞段位于水體附近,因此,推測(cè)該段巖體中存有水體。發(fā)現(xiàn)施工后圖2中標(biāo)記位置確實(shí)存在巖體破碎和多點(diǎn)滲水現(xiàn)象。由此可見,預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。

橫軸L—回線邊長(zhǎng);縱軸x—掌子面橫向水平距離。

第二處為一標(biāo)中的三處巖體儲(chǔ)水,具體情況如下。一標(biāo)4號(hào)井段下游掌子面水平扇形掃描見圖3,該次掃描的探測(cè)范圍主要是石英閃長(zhǎng)巖,因此,其視電阻率大于35 Ω·m。根據(jù)圖3可以分析得出,掌子面的正前方存在兩個(gè)視電阻率低于35 Ω·m的低阻團(tuán)(圖中虛線橢圓處),掌子面正前方右側(cè)存在一個(gè)視電阻率低于35 Ω·m的低阻團(tuán)(圖中虛線橢圓處),三個(gè)低阻團(tuán)呈橢圓形,最大的橫截面積約為536.9 m2,最小的橫截面積約為37.7 m2,由于此洞段位于水體附近,因此,推測(cè)該段巖體中存有水體。發(fā)現(xiàn)施工后圖3中掌子面正前方右側(cè)壁有水流噴出,射程在1 m左右,與預(yù)報(bào)中的結(jié)果相符。

橫軸x—掌子面橫向水平距離;縱軸L—回線邊長(zhǎng)。

由于一標(biāo)4號(hào)井段下游掌子面正前方存在兩個(gè)低阻團(tuán),為避免瞬變電磁法的探測(cè)出現(xiàn)盲區(qū),采取探地雷達(dá)法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行二次探測(cè),使用探地雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)的成果見圖4。根據(jù)圖4可以分析得出,成果圖前方8～13 m左右存在介電常數(shù)界面(圖中虛線圈處),此結(jié)果與瞬變電磁法探測(cè)所得的結(jié)果相同,驗(yàn)證了瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

橫軸x—掌子面橫向水平距離;縱軸h—縱向探測(cè)距離。

3.7 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果評(píng)價(jià)

本次工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。其中,已預(yù)報(bào)次數(shù)指使用瞬變電磁法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的次數(shù),已驗(yàn)證次數(shù)指已經(jīng)驗(yàn)證過預(yù)報(bào)結(jié)果的次數(shù),有效次數(shù)指已進(jìn)行過預(yù)報(bào)并且驗(yàn)證結(jié)果屬實(shí)的次數(shù),無效次數(shù)指已進(jìn)行過預(yù)報(bào)但驗(yàn)證結(jié)果不屬實(shí)的次數(shù)[10]。同時(shí),由于施工未完全結(jié)束,因此部分掌子面未掘進(jìn)至異常位置,暫時(shí)未能完成驗(yàn)證。由表2可知,在共13次驗(yàn)證中,有效次數(shù)的比例為76.9%,無效次數(shù)的比例為23.1%。

表2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析可以得出,一標(biāo)的有效預(yù)報(bào)次數(shù)占比為90.0%,而七標(biāo)的有效預(yù)報(bào)次數(shù)僅占33.3%?；诖?作出如下分析。(1)根據(jù)施工地的詳情,一標(biāo)區(qū)域沒有錨網(wǎng)(金屬材質(zhì))支護(hù),而七標(biāo)區(qū)域包含大量的錨網(wǎng)支護(hù),此類錨網(wǎng)支護(hù)會(huì)對(duì)瞬變電磁法的探測(cè)產(chǎn)生干擾,從而影響探測(cè)結(jié)果。(2)一標(biāo)巖性變化不大,而七標(biāo)巖性變化明顯,并且地下水、巖性成分等均可能造成異常。(3)一標(biāo)工作面清理符合探測(cè)要求,而七標(biāo)工作面設(shè)備和雜物過多,其清理偶爾不符合探測(cè)要求。

4 結(jié) 論

(1)瞬變電磁法在水患嚴(yán)重的隧洞工程建設(shè)中有著重要的作用和明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),可以很好的完成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。(2)由于瞬變電磁法可能受其他因素影響,因此,一般可以選擇探地雷達(dá)法作為其輔助探測(cè)技術(shù),保證不遺漏任何需探測(cè)的問題。(3)地層、巖層中的金屬和金屬設(shè)備中的金屬干擾,以及異常位置精度是瞬變電磁法的短板,目前仍有待解決。