传统瞬变电磁法的改进及其在隧道超前地质预报中的应用

2021-01-21伍小刚李天斌薛德敏

水文地质工程地质 2021年1期

伍小刚，李天斌，张中，薛德敏

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059）

道路交通工程建设中经常需要修建隧道，隧道工程具有隐蔽性，隧址区可能存在含水不良地质体，隧道开挖遇到含水不良地质体时若防治措施不到位容易引发严重的地质灾害，可能造成巨大的经济损失甚至危及人身安全。因此查明隧址区含水不良地质体的发育情况，及时采取防治措施可有效避免人身伤害，减小经济损失。隧道施工前的勘察资料一般是对隧址区和沿隧道轴线的宏观地质条件进行描述，无法查明含水不良地质体的分布特征和赋水特征。因此，开展超前地质预报工作对含水不良地质体的探测具有重要意义，对含水不良地质体的成功预报能科学指导隧道安全施工，为工程建设保驾护航。

瞬变电磁法是地质勘探物探法之一。1978年加拿大Geonics 公司开始研发瞬变电磁仪（PROTEM），通过激发磁场对地质体充电使之产生涡流，涡流激发的二次磁场被接收，以此获得地质信息。我国从20世纪70年代初开始研究瞬变电磁法，之后逐步将其应用于工程实践。瞬变电磁法对地下水具有较强的敏感度，常用于勘探地下水源、岩溶发育区、含水节理裂隙发育带等[1-4]。目前瞬变电磁法在隧道超前地质预报中已取得一定成果，李貅等[5]通过对长凼子隧道进行探测，证明了瞬变电磁法对低阻含水断层、充泥充水溶洞、含水含泥破碎带等不良地质体反应灵敏。段铮等[6-8]在铜罗山隧道、明月山隧道和紫平铺隧道进行瞬变电磁法解译研究，初步建立了一套瞬变电磁法图件解译标志。谭代明等[9]为探明沪蓉高速公路某隧址区断层中地下水发育情况，用瞬变电磁法进行超前地质预报，发现了较大范围的低阻异常区；接近异常区时，进行钻孔验证，最大涌水量达116 m3/h。余东俊等[10-11]总结了瞬变电磁法的常见干扰因素，并建立了图件解译的一般规则。Li Shucai 等[12]、沈晓钧等[13]在沪蓉西高速公路、锦屏二级水电站和胶州湾海底隧道的超前地质预报工作中总结出探地雷达法和瞬变电磁法相结合可准确预测地下水的经验。孟陆波等[14]在华蓥山公路隧道超前地质预报工作中揭示了溶蚀裂隙区域视电阻率等值线存在局部闭合的规律。秦浩靖等[15]准确预报出平阳隧道的含水裂隙发育带，指导安全施工。

以上成果可为隧道工程建设提供宝贵的经验，但这些成果均是采用沿单测线进行测试的传统瞬变电磁法取得的，传统瞬变电磁法不注重观测装置和地质体之间的耦合性，易出现弱耦合或零耦合现象，易导致预报不准或漏报。叶展荣[16]对掌子面前方地质情况按照传统方法测试，在掌子面边墙处以15°为角度间隔水平转动线圈，将探测方向从平行隧道轴线的方向逐步转向垂直隧道轴线的方向，增加了对隧道两侧地质情况的探测，对提高预报准确性有一定帮助，对以转动观测装置进行探测的方式有一定启发，但仍只在水平方向进行多角度测试，竖直方向角度没有变化。

共轴偶极法通过转动装置从竖直和水平两个方向进行多角度探测，与传统方法相比耦合效果更好；多个角度的探测结果相互印证具有比传统方法更高的准确性。本文采用传统方法和瞬变电磁共轴偶极法对天池隧道同一里程段的含水不良地质体进行测试，开挖结果证明共轴偶极法对含水不良地质体的预报准确性比传统方法要高。

1 工程概况

1.1 工程背景

九绵高速公路全长212 km，预算总投资约400亿人民币，计划工期为6年，预计2021年年底正式通车。九绵高速公路起于四川省绵阳市游仙区东林镇张家坪，途经绵阳市、江油市、北川县、平武县、九寨沟县，止于九寨沟县城南，是连接绵阳和九寨沟的交通要道，隧道占比大，沿线脆弱的生态环境和复杂的地质条件使隧道施工面临严峻考验。

1.2 工程地质概况

九绵高速公路天池隧道隧址区跨越江油市太平镇边界沟村及天池村，左线起止里程范围为ZK223+305—ZK222+403，共902 m；右线起止里程范围为YK223+295—YK222+401，共894 m。隧址区属于山区，地质情况复杂，丰富的年降水量为隧址区地下水提供补给，岩溶发育，可能存在两处断层破碎带，隧道开挖易出现涌水、突泥、塌方等地质灾害。

2 瞬变电法原理

2.1 基本原理

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，一次电磁场衰减使地质体中产生涡流，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的涡流衰减产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。其原理见图1，图中Tx为接收线圈，Rx为发射线圈。

图1 瞬变电磁法原理Fig.1 Principle of transient electromagnetic method

隧道四周都是围岩，这种环境适合运用让整个空间都为瞬变电磁作出响应的全空间瞬变电磁法，全空间瞬变电磁法早期和晚期视电阻率（ρT）的计算公式如下：

式中：C—全空间响应系数；

S—发射线圈等效面积/m2；

s—接收线圈等效面积/m2；

U—接收的归一化二次场电位/V；

t—接收的二次场衰减时间/μs。

晚期涡流场在围岩中传播深度H的计算公式如下：

式中：I—发射机电流/A；

S—发射线圈等效面积/m2；

η—未供电激励时接收回线单位面积接收到的干扰信号。

2.2 地质解译

瞬变电磁法获得的成果是以探测宽度为横坐标，以探测深度为纵坐标的视电阻率等值线图。需根据视电阻率等值线特征、视电阻率值和坐标来判断地质情况和推测不良地质体位置，解译原则为：视电阻率与地质体含水率呈负相关，即视电阻率越大则地下水越不发育，视电阻率越小则地下水越发育。典型的不良地质体解译如下：

（1）断层：干断层视电阻率等值线基本平行，分布稀疏，视电阻率值较大。含水断层视电阻率等值线形态依情况而定，视电阻率值较小，总体符合断层两侧大、中间小的规律。

（2）溶洞：干溶洞（空腔）视电阻率等值线基本平行，若周围地下水发育则视电阻率等值线易形成近似沿溶洞边界且中部视电阻率大而周围视电阻率小的闭合形态。充水（泥夹石）溶洞视电阻率等值线也易形成闭合形态，但中部视电阻率小而周围视电阻率大。

（3）溶隙、裂隙：视电阻率等值线形态依溶隙、裂隙发育形态而定，一般较杂乱，视电阻率较小。

3 基于良-强耦合性的共轴偶极法

3.1 耦合性探讨

地质体在空间的展布情况具有复杂性，不同形态的地质体与磁场耦合情况不同。一般情况下，边界比较平滑、形态比较立体的地质体更容易被磁感线穿越，达到良好的耦合效果；如果边界比较粗糙、形态比较扁平，地质体与磁感线近乎平行或平行，耦合效果会下降甚至达到零耦合状态，地质体与磁感线耦合情况如图2所示。

图2 磁感线与地质体耦合示意图Fig.2 Schematic diagram of the coupling of magnetic inductance lines and geological bodies

3.2 传统方法的不足

耦合效果直接影响数据的有效性，传统方法是将发射线圈和接收线圈安装在同一支架上[7，10]，将支架贴近掌子面（图3），逐步移动支架进行数据采集。

图3 测线布置示意图Fig.3 Schematic diagram of line survey layout

由于传统方法的测试角度单一，地质体与磁场容易出现弱耦合甚至零耦合现象，可能导致预报不准的情况[6-7，11，13]，如表1所示。

3.3 共轴偶极法

为了尽可能避免磁感线与地质体出现弱耦合或者零耦合现象，需对地质体进行多角度探测[17-21]，即多次旋转线圈使得磁场与地质体达到良好的耦合效果。本文考虑隧道工作环境的影响，选择共轴偶极法进行多角度测试，将接收线圈（Rx）贴近掌子面放置，发射线圈（Tx）在Rx 后方10 m 左右，Tx和Rx 都位于隧道轴线上，将Tx和Rx 在水平和竖直方向同时转动相同角度（两者保持平行），如图4所示。将线圈旋转角度设定为：（1）水平方向旋转角度依次为左45°、左30°、左15°、0°、右15°、右30°、右45°；（2）每一个水平方向角度对应7个竖直方向旋转角度，即当水平方向角度确定时，Tx和Rx的竖直方向旋转角度依次为上45°、上30°、上15°、0°、下15°、下30°、下45°。

多角度测试能尽可能使磁感线和地质体达到较好的耦合效果，角度分布如图5所示。

4 现场探测与数据解译

4.1 探测区地质概况

选择九绵高速公路天池隧道YK223+135—YK223+035 进行现场探测。该里程段内工程地质资料如下：

YK223+135—YK223+101 段内表层为含碎石粉质黏土约厚0.5 m，下为石灰岩，局部溶蚀严重，岩溶裂隙较发育，岩体较破碎；局部夹岩溶裂隙带。隧道围岩为可溶岩，隧道开挖遇溶洞可能性较大，岩溶裂隙水量较丰富，以点滴状和淋雨状出水为主，局部呈涌流状，围岩设计等级为Ⅴ级。

图4 线圈旋转示意图Fig.4 Schematic diagram of coil rotation

表1 传统方法案例Table1 Traditional approach cases

图5 共轴偶极法角度分布示意图Fig.5 Schematic diagram of the angular distribution of the coaxial dipole method

YK223+101—YK223+035 段内隧道围岩为泥灰岩，为软硬岩互层，软岩为主，岩体较完整～破碎，中薄层状结构。岩溶裂隙水量较丰富，以点滴状和淋雨状出水为主，局部呈涌流状，围岩设计等级为IV级。

4.2 现场工作

现场采用PROTEM CM 收发一体式瞬变电磁仪，包括直径0.61 m的接收线圈Rx、边长为1 m的正方形发射线圈Tx、收发一体式瞬变电磁仪主机、两根电缆线，硬件组成见图6。

图6 PROTEM CM 瞬变电磁仪Fig.6 PROTEM CM transient electromagnetic instrument

为了将传统方法和共轴偶极法的预报成果进行对比，在测试段内进行两种方法探测。传统方法：将发射线圈紧贴接收线圈，面对并贴近掌子面以间距为0.5 m的距离从左往右移动线圈进行数据采集。共轴偶极法：按照设定角度旋转线圈进行数据采集。

现场工作主要步骤如下：（1）将开挖台车和其它大型器械移动到掌子面后方50～100 m的位置，尽量避免金属对电场和磁场产生干扰。（2）将发射线圈Tx 放置在掌子面后方10 m 左右的位置，接收线圈Rx尽量靠近掌子面，通过电缆线将Tx和Rx分别与主机相连。（3）按照传统方法和共轴偶极法的操作方式进行探测。

4.3 数据处理和解译

通过ReaTEM 软件进行数据处理，Surfer 软件出图，得到成果如图7～8所示，步骤主要如下：

（1）废道剔除：将与相邻数据差异较大的数据和信号波动较大的数据视为干扰，应剔除，避免干扰扩散至其他测道。

图7 YK223+135—YK223+035 传统方法测试结果Fig.7 Traditional method test results of YK223+135—YK223+035

图8 YK223+135—YK223+035 共轴偶极法测试结果Fig.8 Test results of coaxial dipole of YK223+135—YK223+035

（2）滤波：手动滤波或者软件自动滤波，从而提高信噪比。

（3）视电阻率计算：对剔除和滤波后的数据进行视电阻率计算。

（4）出图：处理好的数据通过Surfer 软件生成视电阻率等值线图。

传统方法的成果是一幅视电阻率等值线图；若不进行步骤（1），共轴偶极法的成果是7 幅视电阻率等值线图，本次测试数据剔除干扰后的成果是竖直角度为上30°、0°和下15°对应的视电阻率等值线图。

受到掌子面附近钢拱架等的干扰，掌子面前方约20 m 范围内的信号不稳定，因此舍弃此段内的数据。为了验证两种方法的预报准确性，隧道开挖后，对探测结果进行了验证，隧道开挖揭示的地质情况如表2所示。从表2中可以看出共轴偶极法预报含水不良地质体的准确度比传统方法高，特别是在YK223+115—YK223+045 段内，传统方法探测结果是岩体较完整，存在渗、滴水现象；共轴偶极法探测结果是存在岩溶裂隙、小股状流水和存在渗、滴水现象。实际情况是岩体较破碎，节理裂隙发育，局部存在岩溶裂隙，存在多处小股状流水，局部存在渗、滴水现象，与传统方法探测结果存在显著差别，与共轴偶极法探测结果相符。