高损耗电磁波条件下隧道超前探水预测

邵建国，梁珠擎

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021）

0 引言

目前国内外用于探水的电磁方法有核磁共振（M RS）[1]、高密度电法[2]、音频电磁测深（CSAM T）[3]、瞬变电磁（TEM）[4-5]等方法。这些方法主要用于地面条件，很难被移植到隧道中。

CFC复频电导法是一项利用电磁波进行隧道超前探水预测的技术，之前在巴基斯坦NJ-TBM引水工程、我国新疆某TBM工程和贵州德江隧道进行超前探水预测中均取得了很好的效果。预测结果表明CFC技术预报距离可达到或超过100 m，适合隧道长距离超前探水，特别是TBM施工隧道。由于CFC探水技术主要是利用中频电磁波，为了进一步探索其适用性，本文选取徐楼铁矿[6-7]作为此次研究的工区。徐楼铁矿围岩含钾、钠量极少，氧化钙、氧化镁含量较多，矿床类型为矽卡岩矿床，巷道围岩为含矿岩体，其电导率与介电常数比一般的花岗岩、灰岩及砂岩高得多，对电磁波具有较高的损耗。

1 C FC探水的观测方式与仪器设备

1.1 数据采集方式

CFC探水是通过发射电磁波、接收电磁波并确定相干频率来实现的。电磁波的发射与接收都采用偶极子天线，天线做成电极埋设在隧道左右两侧。一组发射，3～5组接收。发射与接收天线排成阵列观测方式。阵列式接收的目的是提高观测系统的方向性，使掌子面前方的信号得到加强，侧向的信号被削弱。接收的电极越多，成像的方向性越好。电极埋设于围岩中，并与围岩紧密接触，确保传导电流与位移电流同时起作用，这与传统的雷达天线不同。阵列式采集有两种工作方案：一种是大排列方式，另一种是组合方式。大排列方式是采用一对电极A、B发射，多对接收电极M、N组成阵列同时接收；组合方式是一对电极发射，位置不变，另一对电极移动接收，每发射一次，接收电极移动一次。联合多次发射与接收，组成一个完整阵列。这两种方式的探测效果相同。数据采集中A、M电极布置在隧道一侧，B、N电极布置在另一侧，沿隧道排列，如图1所示。A与B、M 1与N1、M 2与N2、M 3与 N3的间距为 5～10 m，电极长度为1.5～2.0 m。与掌子面保持一定距离，不影响掘进机头工作。探测时同步记录发射极电流与接收极电压。通常采用5对接收电极。

图1 隧道内CFC观测系统图

1.2 发射与接收设备

CFC复频电导探测使用北京同度工程物探技术有限公司开发的高压宽频发射机与电磁波数字记录器（见图2）。发射机为脉冲调制宽带发射，频带在100 kH z～20 M H z。最高发射峰值电压6 kV，发射电流可达120 A。发射与接收电极分布于围岩中，有效地减小了隧道内各种干扰，提高了信噪比。电磁波数字记录器为双通道，采样率为0.01 μs，动态16位；同步记录发射电流与接收极电压。CFC探测仪器硬件系统已完成升级，体积更小，重量更轻，使用更方便。

图2 CFC发射机与接收机

CFC技术基于中频电磁波的反射与相干原理，在地质雷达领域，这是一种全新的数据处理技术。在中频时域记录中，入射波与反射波在时间上交叉在一起，从走时上难以区分，很难像地质雷达数据处理那样通过反射波走时来确定反射面位置。CFC针对隧道探测波场的这一特点，建立了频域相干分析方法。

2 C FC复频电导探水工程实践

2.1 徐楼铁矿工程概况

徐楼铁矿位于淮北市濉溪县境内，隶属徐楼镇，地质上位于华北地层区。大理岩是矿体的直接顶板，岩溶裂隙发育，含水丰富，导水性较强，探水工作布置在出矿巷道，如图3所示，探测两条巷道掌子面前方的含水情况。巷道围岩为含矿岩体，其电导率与介电常数比一般的花岗岩、灰岩及砂岩高得多，其地质环境对电磁波具有很高的损耗。

2.2 CFC的观测系统

该次CFC观测系统的布置如下：

（1）接收电极M、N四组，布置在两侧壁内，同侧电极间距16.0 m，埋深1.5 m。

（2）激发电极A、B一组，布置在两侧壁内，距最近接收电极16 m。

图3 徐楼铁矿出矿隧道

（4）电极采用海绵耦合，如图4所示。

图4 CFC激发与接收方式（单位：m）

2.3 隧道超前探水结果

淮北徐楼铁矿探水项目包含两个隧洞，每个隧洞探测100 m。外业工作结束后随即对当天采集的数据进行分析、整理并检查和复核，在此基础上对所采集的数据进行综合分析、评价。其典型的CFC信号频谱如图5所示。

图5 典型的CFC信号频谱

CFC数据的处理主要经过记录选取、数据预处理、观测系统几何位置编辑、频谱分析与归一化、CFC电磁波速扫描、CFC合成孔径偏移成像计算等过程。根据能量最大化原理进行围岩电磁波速扫描和偏移成像。

数据处理后得到徐楼铁矿-217 10-5和-205 10-6出矿巷掌子面前方100 m内含水结构的CFC偏移图像。现对两个隧道的预报结构分述如下。

2.3.1 徐楼铁矿-217 10-5隧道的探测结果

徐楼铁矿-217 10-5隧道的探测结果如图6所示。从偏移图像可以看出，掌子面前方100 m内的地质情况分为两段：

第一段：掌子面前方0～30 m，电磁波反射能量较小，不含水。

第二段：掌子面前方30～100 m，反射波能量增强。特别是85～95 m范围内，电磁波反射的能量最强。速度扫描显示围岩电磁波速很低，仅为0.044 m/ns，相对介电常数很大，为46.54左右。这说明该段或者富含水，或者为导电性较好的金属含矿带。

预测结果：0～30 m，水量相对较小；30～100 m特别是在85～95 m范围内围岩含水量较大或者存在金属含矿带。

2.3.2 徐楼铁矿-205 10-6隧道的探测结果

徐楼铁矿-205 10-6隧道的探测结果表示在图7中。结果显示掌子面前方的100 m地质情况分为两段：

第一段：0～50 m，电磁波反射能量较小，不含水。

第二段：50～100 m，特别是65 m附近，电磁波反射能量较强。同时该段围岩电磁波速为0.07 m/ns，相对介电常数为18.4左右，介电常数比较大。

预测结果：0～50 m，水量较小；50～100 m特别是在65 m附近围岩含水量较大或者为金属含矿物带。

徐楼铁矿的地质资料显示，徐楼矿区含水层为该水文地质亚区含水层系统的一部分，铁矿床发育于碳酸盐岩与岩浆岩体侵入接触部位，围岩裂隙岩溶发育，富水性强，与CFC复频电导测试结果基本一致。

之后在徐楼铁矿-205 10-6隧道的施工过程中也证实了在掌子面前方65 m左右钻孔出现涌水，遇到了含水地层。

3 结语

本文以徐楼铁矿为研究区域，对两个隧道展开研究。试验结果表明，在导电率和介电常数都较高的含金属矿的介质中，CFC仍然可以正常工作。只是在数据处理中要特别注意，含水结构与含金属矿结构对于CFC来说，具有类似的、较强的电磁反射，仅靠偏移图像难以将它们进行区分，需要与矿区地质资料进行对比分析。

图6 徐楼铁矿-217 10-5隧道CFC偏移图像

图7 徐楼铁矿-205 10-6隧道CFC偏移图像