基于TEM的玉磨铁路隧道渗漏水状态预测方法研究

代昱昊，王 华，彭桂彬

(中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 511464)

0 引 言

目前，国内瞬变电磁探测结论是根据由探测数据反演而成的视电阻率进行分析得到的。但是，视电阻率是用来表征岩体导电性的一种参数，受岩体矿物种类、岩体矿物含量、岩体分布形态、地下裂隙水等因素影响，具有区域差异性。因此，瞬变电磁探测结论高度依赖作业人员的工作经验，具有较高的主观性，存在较大的人为因素导致的偏差。

具有较高人为性的瞬变电磁探测结论，已不适用于地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带上，区域地质构造活动剧烈，存在区域性大断裂及其众多次生断裂，地质条件极其复杂[1-3]的新建玉磨铁路工程。以玉磨铁路新平隧道为例。玉磨铁路新平隧道围岩多为砂岩、砂质板岩，节理裂隙极其发育，围岩极其破碎，层间结合差，透水性良好，自稳性能差，导致该隧道掌子面在股状地下水冲刷下极易渐变为涌突灾害，严重影响现场安全生产。而能明确指出存在股状地下水的瞬变电磁探测结论准确率低下，不足20%，无法满足现场安全生产的需要。

为了提高瞬变电磁探测结论的客观性和准确性，满足现场安全生产的需要，基于玉磨铁路新平隧道现场大量的瞬变电磁试验，将其转化所得到的视电阻率图与开挖揭示的渗漏水状态进行大量对比分析，笔者提出了一个新的定量判断方法，对隧道掌子面前方某一里程的地下水渗漏水状态进行预测。

1 现场瞬变电磁试验

1.1 瞬变电磁原理

瞬变电磁法(transient electromagnetic method)，属于时间域电磁法(简称TEM)，它遵循电磁感应原理，利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用接收线圈观测由地下介质引起的二次感应磁场，从而探测地下介质视电阻率的一种方法[4-6]。

在隧道中施做瞬变电磁试验时，隧道已开挖部分相对于周围地下空间是很小的，可以将探测过程看作是在地下全空间进行。全空间瞬变电磁二次感应涡流场，以发射线圈为中心，沿发射线圈所在平面向外传播和衰减[7]，不同时间到达不同深度和范围。

二次涡流场的表现与地下介质的电性有关。同类岩层相比，岩层较为完整时视电阻率值一般相对较高，引起的涡流场较弱；而岩层富水时视电阻率值相对较低，引起的涡流场较强，所以，通过观测二次涡流场就可以掌握地下介质的视电阻率值分布情况，从而推断出相应介质的赋存位置等情况。

1.2 现场试验

在该隧道任一掌子面进行试验，仪器选择PROTEM 47HP型瞬变电磁仪。为降低线圈互感效应，试验装置选用平行偶极装置(图1)，发射线圈为2 m×2 m正方形线框，匝数64匝，供电电流为1 A；接收线圈等效面积31.4 m2。为提高信噪比，确保原始数据的可靠性，发射主机发射频率是6.25 Hz，关断时间设置为150 μs，积分时间设置为15 s，采集门数为30门，增益倍数为4。

备注：

1)为了保护人员和仪器安全，接收线圈中心距离隧道掌子面不应小于4 m；

2)为了减少线圈互感效应，发射线圈与接收线圈中心相距不应小于6 m；

3)为了保证现场使用方便，两线圈高度不做限制，两线圈中心线可以偏离隧道中心线1～2 m；

4)在探测过程中，发射线圈与接收线圈必须保持中心轴线平行，进行同步转动。

以掌子面方向为参考零点，在水平方向上，发射线圈从右45°～左45°，每偏移15°为一组数据，共7组数据。每组数据中，发射线圈从上倾45°～下倾45°，每偏移15°为一个数据，共7个数据。则此种试验方法共得到49个数据，具体见图2。

图2 隧道瞬变电磁探测方法

1.3 试验结果处理流程

针对瞬变电磁探测数据，经过“文件格式转换”→“数据预处理”→“生成断面文件”→“时深转换”→“深度校正”→“超前探测坐标转换”→“白化”→“断面图绘制”→“生成视电阻率剖面图”的处理流程，共得到7张视电阻率二维平面图。

其中，“时深转换”由反演计算完成，反演后的深度为视深度，需要校正；“深度校正”参数一般由现场实验和地质资料确定，关于本试验中的“深度校正”参数，不是根据理论计算得到，而是采用超前钻探试验验证不良含水体获得，近似为一个常数，能满足现场安全生产的要求。

2 隧道渗漏水状态预测模型

2.1 基于Voxler软件构建三维含水体模型

针对瞬变电磁试验得到的视电阻率二维数据，采用极坐标法使其二维坐标转化成三维坐标[8]，输入Voxler软件，并以隧道断面底板中点为原点建立三维坐标系，同时以隧道底板为X轴，沿隧道轴线方向为Y轴，沿隧道中线为Z轴，在隧道底板上方建立含水体模型。由该隧道开挖断面14 m(宽)×12 m(高)确定此含水体模型的尺寸为80 m×40 m×40 m(长×宽×高)，具体见图3。瞬变电磁有效探测距离取100 m，扣除20 m的盲区，则在建立的含水体模型坐标轴Y轴上，起始里程为20 m，终点里程为100 m。

图3 三维含水体模型及其坐标系

2.2 视电阻率区间范围与地下水渗漏水状态的关系

在瞬变电磁准确探水试验的基础上，根据视电阻率现有研究成果[9-10]和该隧道瞬变电磁试验经验，将试验所得视电阻率二维平面图与隧道掌子面地质素描进行海量对比分析，可得视电阻率区间范围与地下水渗漏水状态的对应关系，具体如表1。

表1 视电阻率与地下水渗漏水状态对应关系

2.3 建立隧道渗漏水状态预测模型

在建立的80 m×40 m×40 m(长×宽×高)含水体模型中，某一里程L(0≤L≤75)的隧道掌子面渗漏水状态，考虑到玉磨铁路新平隧道板岩、砂岩良好的渗透性和视电阻率校正深度与真实深度的误差，则将计算范围定为里程L至里程(L+5)，即里程L(0≤L≤75)处的计算模型为5 m×40 m×40 m(长×宽×高)。因此，里程L处的隧道掌子面渗漏水状态参数值K与L无关，只与里程L～(L+5)范围内的视电阻率分布状态相关。

则某一里程L(0≤L≤75)的隧道掌子面渗漏水状态参数值K为：

式中：ki为视电阻率区间[0，1]、(1，2]、(2，4]、(4，10]、(10，30]的渗漏水状态参数，考虑到掌子面一般情况下不封闭而导致地下水不断流失的情况，则取各个区间范围2/3处的值；vi为视电阻率各区间在研究段内含水构造体中的体积；V为研究段内含水构造体(5 m×40 m×40 m)的体积，为8 000 m3。

对照表1，可以对任一里程的地下水渗漏水状态进行单独预测。对整体探测段的地下水渗漏水状态进行预测时，对全段进行分段预测，每5 m一段，计算出各段的地下水渗漏水状态参数值K，用3次多项式进行拟合，然后对照表1判断即可。

3 工程实例

在该隧道掌子面里程D1K47+723附近开始D1K47+743～D1K47+823段探水试验，依照1.2节和1.3节所述的试验步骤与方法，则可以得到瞬变电磁仪探测到的视电阻率二维平面图，见图4。

图4 瞬变电磁探测结果

依据该隧道D1K47+743～D1K47+823段探测到的视电阻率二维数据，构建80 m×40 m×40 m(长×宽×高)尺寸的含水体模型，如图5。在此含水体模型长度方向(Y轴)上，20～100 m与里程D1K47+743～D1K47+823一一对应。

图5 隧道D1K47+743～D1K47+823段三维含水体模型

根据提出的隧道渗漏水状态预测方法，可以得到D1K47+743～D1K47+823段的渗漏水状态参数值K，具体如表2，渗漏水状态参数K的曲线拟合如图6。

表2 隧道D1K47+743～D1K47+823段地下水渗漏水状态预测值

图6 K值曲线拟合

根据渗漏水状态参数K值的曲线拟合公式，可以得到以下预测：

1)里程D1K47+743～D1K47+746段，K值范围为2.0～2.4，则地下水渗漏水状态为滴渗水。

2)里程D1K47+746～D1K47+776段，K值范围为1.4～2.0，则地下水渗漏水状态为线状水；里程D1K47+759附近K取1.4(最小值)，该处地下水较发育，需提前做好探孔泄水工作。

3)里程D1K47+776～D1K47+800段，K值范围为2.0～4.0，则地下水渗漏水状态为滴渗水。

4)里程D1K47+800～D1K47+823段，K值范围为4.0～5.3，则地下水渗漏水状态为湿润。

根据预测结论，现场陆续在里程D1K47+742.5附近进行30 m超前钻孔进行泄水，在D1K47+767.1附近进行试验性超前钻孔，搭接长度5 m，具体见图7。

图7 施做超前探孔

现场钻孔报告显示：

1)超前泄水孔：钻至D1K47+747附近，孔中水流量显著增加，至D1K47+772.5终点，水流量持续增多，终孔水流量0.1 L/S。

由此可见，不良含水体范围从里程D1K47+747开始，包括钻进终点里程D1K47+772.5。

2)超前试验孔：里程D1K47+767～D1K47+777段孔中水量增加不显著，D1K47+777～D1K47+794段孔中水量无明显变化，终孔水量为0.02 L/S。

由此可见，不良含水体到里程D1K47+777截止，D1K47+777～D1K47+794段探孔中基本无水。

现场开挖揭示了：

1)里程D1K47+743～D1K47+746段，掌子面拱顶与右侧滴渗水，与预测结论相符。

2)里程D1K47+747～D1K47+777段，经过超前钻孔泄水，掌子面渗漏水状态同样为滴渗水，与预测结论基本相符。

3)里程D1K47+777～D1K47+800段，掌子面拱顶及右拱脚处滴渗水，且D1K47+777～D1K47+794段探孔中基本无水。与预测结论相符。

4)里程D1K47+800～D1K47+823段，掌子面处于整体湿润状态，D1K47+819.1～D1K47+835.1段掌子面局部滴渗水，可见瞬变电磁偶极装置在探测距离末端出现了精度下降状况，与预测结论基本相符。

经过玉磨铁路施工现场的多次验证，特别是无超前钻探段的开挖揭示验证，此种方法的准确率高达75.2%，可以满足现场安全生产的要求。

4 结 语

基于玉磨铁路新平隧道瞬变电磁探水试验，笔者提出了一种隧道渗漏水状态预测方法，实现了对隧道渗漏水状态的定量预测，能够较为准确地预测隧道某一里程的渗漏水状态，能精确指导现场超前探孔泄水作业，能满足该高风险隧道施工现场安全生产的需要，有效预防股状地下水引发涌突灾害。此方法具有一定的推广价值，但是考虑到视电阻率的区域特性，在其他工程应用时需要对一定时间内的瞬变电磁试验及开挖揭示的地下水渗漏水状态进行归纳总结，调整视电阻率范围与地下水渗漏水状态对应关系。