大埋深公路隧道富水区瞬变电磁超前探测应用技术研究

缪强（云南第二公路桥梁工程有限公司，昆明 650000）

大埋深公路隧道富水区瞬变电磁超前探测应用技术研究

缪强
（云南第二公路桥梁工程有限公司，昆明 650000）

在西部丘陵和山区进行的高速公路建设中，大埋深及大跨度的隧道相继多有出现，且不少隧道存在水害威胁。瞬变电磁法作为一种快捷有效的超前水害探测方法，在隧道水害防治中的应用日益广泛。针对大埋深条件下隧道水害的特点，探讨瞬变电磁法隧道超前探测的施工工艺及数据处理解释方法。结合大埋深隧道瞬变超前探测实例，表明瞬变电磁法对隧道前方富水区具有较好的反应，方法有效可靠，能为隧道安全施工提供有效指导。

公路隧道；富水区；瞬变电磁法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.029

1　引言

随着我国交通基础建设的发展，在西部丘陵和山区的高速公路建设项目也日益增多，大埋深及大跨度的隧道相继出现。而高海拔山区的隧道穿越的工程地质环境复杂，在工程施工中往往不可避免地会遇到塌方、涌水、岩爆等地质灾害，而其中又以涌水问题最为普遍与严重。隧道涌水往往会对施工人员及设备构成较大的威胁，有可能造成巨大的经济损失。因此，在隧道开挖过程中，提前对掌子面前方展开超前地质预报，对隧道的安全发挥着巨大的作用。

目前，国内外多采用地质学方法与物探方法相结合并辅以超前钻探等来实现超前地质预报。隧道超前地质预报常用的物探方法主要有TSP法、TGP法、TST法、地质雷达法等，这些方法各有所长，但基本上都是掌子面前方的异常地质构造做预测预报。近年来，作为一种成熟的地面富水区勘探方法，瞬变电磁法越来越多地被应用到大埋深隧道水害问题的超前地质预报中，并取得了较好的应用效果[1，2]。

2　隧道瞬变电磁法超前探测方法原理

地面瞬变电磁法，又称时间域电磁法，利用的是不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，以激励地层介质感生

图1　矩形框磁力线图

隧道瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法基本原理相同。所不同的是，隧道瞬变电磁法是在隧道进行，瞬变电磁场呈全空间分布，全空间效应成为隧道瞬变电磁法固有的问题（见图2）。接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。

图2　全空间瞬变电磁场的传播

由于隧道掌子面现场特殊的施工环境，隧道瞬变电磁法与地面瞬变电磁法以及其他的超前地质预报方法有很大的不同，主要有以下几方面的特点：

1）受掌子面施工空间所限，无法采用地面瞬变电磁数据采集时的大线圈装置，只能采用边长小于3m的多匝小线框，因此与地面瞬变电磁法相比,具有测量设备轻便，工作效率高，成本低等优点；

2）由于采用小线圈测量，点距更密（一般小于10m），体积效应降低，横向分辨率提高，再者数据采集装置靠近目标体，异常体感应信号较强，具有较高的探测灵敏度；

3）受发射电流关断时间的影响，早期测量信号畸变，无法探测到浅层的地质异常体，一般存在20m左右的浅部探测盲区。

4）隧道现场施工时，测量数据容易受到金属物（台车、金属支架、管道等）的干扰，需要在现场测量时尽量远离金属体，在资料处理解释中进行校正或剔除。

目前，矿井瞬变电磁法主要用于解决掌子面开挖前方的突水构造、富水区预测水文地质问题。

3　隧道瞬变电磁法超前探测工作方法探讨

瞬变电磁法常用的工作装置形式主要有中心回线、重叠回线、偶极-偶极、大定源组合等。其中重叠回线装置形式地质异常响应强、易于识别地质异常体、施工方便，结合隧道超前探测的工作环境及探测任务，在探测过程中，通常选用重叠回线装置形式。

3.1装置参数设计

隧道瞬变电磁法多采用多匝数小回线测量装置，参数选择是否合理直接影响测量结果。其装置参数主要有：回线边长大小、回线匝数、叠加次数、终端窗口和增益等。

回线边长与匝数的选择由地质探测任务决定。线圈边长越小，其体积效应也越小，纵、横向分辨率也愈高；但边长太小，就会影响到发射磁矩，使得勘探深度大大降低。由于施工空间受限，一般情况下选用2m伊2m或者3m伊3m的发射线框。叠加次数、终端窗口、增益等其他参数，正式工作前可通过试验加以确定。实际参数的选择，通常兼顾能有效完成探测任务和实际探测的工作效率[3]。

3.2测线布置

根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向即为瞬变探测方向。因此瞬变电磁测线通常有2种布置形式，一种是U型观测系统，即在隧道掌子面底板位置沿隧道环向平行于掌子面布置，因此发射线圈通常以直立、适当的仰角和俯角方向（30毅或45毅）进行探测，测点间距以1m为宜（见图3）；另一种是在扇形观测系统，即在分别沿平行和垂直于掘进方向进行横向和纵向扫描，分别形成扇形剖面（见图4）[4]。

图3　U型侧线布置示意图

图4　扇形侧线布置示意图

3.3数据采集干扰分析

隧道瞬变电磁超前探测量环境位于隧道掌子面处，通过实际测量分析，影响隧道瞬变电磁法主要因素有：（1）掌子面附近的金属台车；（2）隧道侧帮的金属支护；（3）风水管等各种金属设施。这些金属设施在隧道瞬变电磁法探测中能产生很强的瞬变电磁响应。因此在数据采集前，应尽量排除现场金属干扰的影响，台车、装载机等金属设备应尽量后撤，可移动的金属也应尽量搬离探测现场。数据采集过程中，对探测现场较均一的金属干扰，数据处理时可作为一种背景进行校正，对于探测现场孤立且不便移动的金属设备，在实测时应偏移测点位置尽量避开，同时做好记录，以便在资料解释时排除此类影

响[5,6]。

4　隧道瞬变电磁法应用实例

西南地区某公路隧道穿过地段海拔在1300~1600m之间，隧道最大埋深超过800m；其组成地层主要为雷口坡组、嘉陵江组；岩性为灰岩、白云质灰岩夹白云岩、泥灰岩、泥岩等。区域内岩层以碳酸盐岩为主，隧道施工区域内岩溶较为发育，多处存在涌水、突泥等地质灾害隐患。施工过程中采用瞬变电磁技术进行超前探测，掌握掌子面前方富水区的分布情况，保障隧道掘进的施工安全。

在隧道ZK25+303m处进行瞬变电磁超前探测，数据采集采用中煤科工集团重庆研究院有限公司研发的YCS1024本安型瞬变电磁仪，该套设备在井巷勘探工程应用技术方面处于国内领先、国际先进水平。探测侧线采用扇形方式布设，经过现场试验，发射线框采用多匝2m伊2m矩形回线，发射频率为25Hz，叠加次数为64次，关断时间3滋s，采样间隔2滋s。现场采集数据经过道编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得如图5所示瞬变电磁探测成果图。

图5　瞬变电磁超前探测成果图

由图5a可知，现掌子面正前方55～70m范围内（虚线圈定区域）视电阻率相对较低，由图5b可知，掌子面正前方50～65m范围内（虚线圈定区域）视电阻率相对较低，结合有关地质资料分析，掌子面前方60m左右区域，即ZK25+363附近为岩溶裂隙发育含水区域，富水性较强。经开挖验证，此段围岩节理裂隙发育，完整性较差，地下水丰富，溶蚀构造发育，与预报结果一致。

5　结论

1）瞬变电磁法对低阻体反应灵敏，可利用其进行对受水害威胁的大埋深隧道进行超前地质预报，实际应用效果表明，该方法对富水体的预报具有良好的效果；

2）对异常区富水性的确定，应综合考虑到异常区的范围大小、视电阻率最小值大小、地质构造及水文地质条件等因素，提高预报准确率；

3）从瞬变电磁探测效果看，因为瞬变电磁法特有的关断效应，使得探测中前方20m以内的数据不可靠，即通常所说的瞬变电磁探测的“盲区”；另外，因为瞬变电磁探测是一种基于电阻率的地球物理方法，现场的台车等金属体会对探测结果造成一定影响，探测过程中应尽量创造良好的探测环境。

总之，隧道瞬变电磁超前探作为一种物探技术手段，必然存在一定物探方法的共性—多解性和局限性。电磁法探测要与地质分析、地质钻探相结合，根据现场具体水文地质情况综合分析，尽量降低物探资料的多解性。同时应该注意收集掘进过程中揭露的实际地质情况，与瞬变资料进行对比分析，提高瞬变电磁的准确性与针对性，为隧道的安全掘进提供有力支持。

【1】谭代明.隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究[D].成都:西南交通大学,2009.

【2】刘树才,刘志新,姜志海.瞬变电磁法在煤矿采区水文勘探中的应用[J].中国矿业大学学报,2005,34(4):414－417.

【3】姜志海.巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机制与技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2008.

【4】张平松,李永盛,胡雄武.坑道掘进瞬变电磁超前探水技术应用分析[J].岩土力学，2012,33(9):2750-2753.

【5】余东俊.瞬变电磁法(TEM)在隧道超前预报中的应用和效果研究[D].成都：成都理工大学，2010.

【6】薛国强,宋建平,武军杰，等.瞬变电磁法探测公路隧道工程中的不良地质构造[J].长安大学学报(地球科学版),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

缪强（1983～），男，四川阆中人，工程师，从事公路工程施工与管理研究。二次场，在一次脉冲场间歇期间利用同一回线或电偶极接收感应二次场。简单来说，即在电流断开之前（t<0时），发射电流在回线周围与大地空间中建立起一个稳定的磁场（见图1），在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。在电流断开间歇期间，观测由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场（按指数规律衰减）。地质层介质被激励所感应的二次涡流场强弱决定于地层介质所耦合的一次脉冲磁场磁力线的多少，即二次场的大小与地下介质的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断前方地质体的电性、性质、规模和产状等。因此，瞬变电磁作为一种时间域的人工源地球物理电磁感应探测方法，是根据地质构造本身存在的物性差异来间接判断相关地质现象的一种有效的地质勘探手段。

2016-05-14