瞬变电磁与TSP的隧道超前预报三维探测方法研究

2021-07-02肖继文张世奇孙光吉

绿色环保建材 2021年6期

肖继文陈挺张世奇孙光吉

中国公路工程咨询集团有限公司

1 研究背景

我国西南地区地质构造复杂且是岩溶高发区，修建铁路通常需要考虑深埋长隧道开挖过程中遇到的岩溶涌水、突泥等安全风险[1]。利用地球物理探测方法掌握隧道掌子面前方不良地质体情况并及时调整隧道施工工艺，不仅能够加快隧道施工进度，更能避免地质灾害事故发生，减少人员伤亡[2]。超前预报中常用对含（导）水地质构造敏感的瞬变电磁法探测岩溶构造[3]。它基于岩石导电性差异，利用岩石在电圈发射的一次电场间歇感应的二次电场变化，实现探测地质体导电性分布的目的[4]。TSP法是利用不良地质体波阻抗界面产生的回波推断前方地质特征，对断层、软弱层、岩溶构造强烈发育区有较好地反映[5]。

然而岩溶构造充填物质多样，发育空间分布复杂，探测结果都是掌子面前方全空间地质体的综合响应，反映前方异常体的总体情况，难以做到准确、直观地推断岩溶构造在空间中的分布[6]。

本文使用FCTEM60拖拽式高分辨瞬变电磁系统以点测和扇形扫描的方式采集数据，利用Voxler软件中反距离权重插值法将反演的二维数据构建为三维数据体，最后结合TSP结果综合分析掌子面前方的含水构造空间分布情况，使异常体直观立体地显示在解释成果中。

2 探测方法工作原理

2.1 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁（TEM）是以岩石导电性差异为基础的电磁感应方法。其工作原理是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，一次电磁场传播至地下良导体时在其内部生成变换的感应电流，进而再次感生二次磁场。在发射间歇，通过线圈或接地电极观测由围岩良导体感应的二次电磁场的空间分布随时间的变化，其变化反映了探测范围内岩体导电性的分布情况，进而掌握掌子面前方充水和泥的不良地质体的空间分布[7]。由于二次磁场来源于良导体的感应电流，因此瞬变电磁法对于含（导）水地质构造反映及其灵敏。那么视电阻率可以表示为：

式中：

S1——当发射线框面积；

N1——线圈匝数；

S2——接收线框面积；

N2——线圈匝数；

ρt——视电阻率；

t——衰减时间，V/I为归一化的二次场感应电压，即接收线圈的观测值。

2.2 TSP法工作原理

TSP是反射地震方法的一种，首先由隧洞后方特定位置小型爆破产生地震波，地震波在存在波阻抗的不均匀地质体中传播产生反射，然后通过隧洞后方的传感器接收返回的地震波实现前方地质条件与水文地质条件的观测[8]。

与常规地面地震勘探关注介质垂直变化不同，TSP更多关注的是介质的水平变化情况。为了从地震记录中获得隧洞前方反射波信息，在数据处理过程中的上下行波分离并保留下行波（负视速度）处理本质上就是压制来自测线垂向上的信息而保留来自水平方向上的反射信息，根据反射时距曲线的负视速度特征采用了线性Radon变换技术进行上下行波分离，从而来提取反射波信息。

3 工程实例

云南某隧道处于地质构造中等复杂程度地区，项目区内主要不良地质现象为岩溶构造区、暗河等。前期勘察工作显示桩号K48+920的隧道上方188m处可能存在暗河。隧道向大里程方向施工，当掌子面掘进至K48+902位置处，开挖断面岩体整体为中风化白云质灰岩，岩石呈灰白色、浅灰色，属较坚硬岩。岩体呈镶嵌破碎状、中厚层状结构。为探明前方不良地质体分布情况，决定同时采用瞬变电磁法和TSP方法，测线布置如图1、图2所示。

图1 瞬变电磁测线布置图

图2 TSP仪器布置图

3.1 初步反演结果

（1）推断掌子面正前方40m处有岩溶构造发育区及其影响区，该区域位于隧道地面上方20m处。距离掌子面30m的上方和距离掌子面50m的下方显示有低阻异常体，存在富水带。

（2）推断掌子面正前方50m处有岩溶构造发育区及其影响区或者富水区域，该区域位于隧道地面以下25m处。掌子面左前方30m处亦有岩溶构造发育区及其影响区或富水区域。

（3）推断掌子面正前方40m处有岩溶构造发育区及其影响区，该区域位于隧道地面上方20m处。

（4）从反演得到的视电阻分布特征来看，K48+912～K48+922隧道左侧、K48+922～K48+937整个区段以及ZK48+947～ZK48+952左侧边缘存在低阻异常区。推断该区内为岩溶构造发育区。相比于前两个区段，ZK48+947～ZK48+952低阻异常特征相对较弱，可能为富水裂隙。此推断结果与中部扫描结果一致。

TSP法结果为P、S波偏移剖面以及岩石物理属性剖面，本文仅将主要的P波偏移剖面作为参考。

3.2 构建三维数据体

将瞬变电磁反演结果统一坐标，导入Voxler软件，并应用反距离权重插值法对数据插值，形成该区域范围内的三维数据体。显示数据体中低阻异常的部分如图3所示。图中可以直观地看到2.1中描述的异常区位置以及其在地质体中的空间分布关系。

图3 瞬变电磁三维数据体

TSP法P波偏移剖面中的值代表该反射层面的波阻抗大小，一般波阻抗越大代表该位置岩体破碎的可能性越高。二维剖面中的反射波为掌子面前方三维构造的响应，因此反射波所对应的反射层面不一定位于正前方，可能向四周偏离。反射地震法假设连续反射波来自同一反射界面，因此假定反射波所在位置存在反射界面，其仅在与隧道开挖的垂直方向有偏离。根据以上可以将P波剖面沿着隧道掘进方向的中轴线旋转呈圆柱体，其圆柱体与瞬变电磁三维数据相交的部分则是既存在破碎又存在低阻的位置，那么则可以更准确地定位岩溶构造的发育区及其影响区，结果如图4所示。