瞬变电磁法在隧道超前探测中台车干扰校正技术研究

刘明伟

(1.招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044)

我国在隧道建设过程中遇到的地质情况越来越复杂，因此，在施工过程中开展“高精度、高质量”的超前地质预报工作已成为当下隧道建设中的重要工作。隧道施工超前地质预报工作是掌握整个施工过程中隧道围岩地质情况，消除坍塌、突水、突泥、岩爆、冒顶等地质灾害隐患，避免安全事故发生的重要举措[1-2]。瞬变电磁法操作简便、成果直观，探测距离远，工作效率高，近年来在隧道超前探测中被广泛应用，探测效果较好[3]。

在隧道超前预报探测中，施工台车是较大的低阻体，其激励的二次场对探测结果是干扰源，会造成瞬变电磁解译的多解性，为提高超前预报结果的精准度和可靠性，应将该干扰源剔除[4]。本文对台车与线框不同位置采集的数据与背景场进行对比分析，获取校正系数及校正拟合函数，对台车干扰数据进行校正，以解决因台车干扰造成瞬变电磁多解性的问题。

1 台车影响校正技术

在隧道全空间中，瞬变电磁探测的数据由台车信号与探测前方目标体的信号相互组合、叠加而成，该数据无法通过滤波、平滑等手段来压制或剔除，进而造成有效信号失真。因此，选择合适的干扰校正方法是能否有效提高信噪比的关键。

1.1 校正系数的确定

隧道瞬变电磁视电阻率公式可简单表示为[5]：

(1)

令接收到的第i道感应电位为：

(2)

在隧道全空间的工作装置和测量条件都相同的情况下，没有金属干扰和有金属干扰的归一化感应电动势分别为A0和Ai，可得到对应i道(时窗)的校正系数为A=Ai/A0，可根据A0=Ai/A对台车影响的数据校正处理，得到探测目标体的真实解译结果。

1.2 拟合函数的确定[6-8]

由于台车干扰的存在，一般会把瞬变电磁感应电位数据整体抬高，后期数据衰减变慢，这就造成了不同测道(时窗)的校正系数A值不同，因此校正系数A与时间i存在一定的函数关系。经过大量数据分析、拟合发现，经过多项式拟合的函数与其匹配较好，通过多项式拟合计算可获得校正系数A的拟合函数为y(i)，则校正后的视电阻率公式变为：

(3)

2 现场数据标定

2.1 试验仪器及参数设置

本次试验采用国产的YCS360A 矿用本安型瞬变电磁仪，该设备轻便、抗干扰强和自动化程度高，发射机发射双极性矩形脉冲序列，占空比为 1∶1，对 50 Hz 和 60 Hz 的工频电有抑制功能。现场试验参数设置如表1所示[9-12]。

表1 仪器参数设置Table 1 Instrument parameters setting

2.2 试验模型设计及现场试验

为获取实际开挖过程中施工台车对瞬变电磁数据的影响程度，课题组选择正在开挖的隧道按照1∶1模型进行现场探测试验，在同样背景场的条件下，通过调整施工台车与线框的距离，获取不同位置的瞬变电磁信号(每次3组信号，取平均值)，如图1所示。隧道内狭窄的工作场地，台车移动距离有限，为此将台车移动至距离线框70 m处的场选择为背景场[13-15]，如图2所示。

图1 现场探测试验设计Fig.1 Design of field detection test

通过数值模拟和模型模拟试验，获取了瞬变电磁信号在施工台车距离瞬变电磁线框大于30 m时，台车对瞬变电磁二次场的影响程度趋于一致的试验结果，综合考虑现场试验条件，设置40 m～70 m段施工台车移动间距5 m，在40 m～2 m段施工台车移动间距2 m。

3 试验结果分析

3.1 背景场获取

现场在没有台车影响下，获取了14组原始数据，通过对14组数据取平均值，可获得背景场感应衰减值，结果如图3所示。

图3 背景场数值Fig.3 Background field value

3.2 台车与线框间距70 m～40 m干扰校正系数

现场将台车按照5 m间距移动由70 m移动至40 m处，共采集了A40，A45，A50，A55，A60，A65，A70等7处的瞬变电磁场，每处采集3组数据，取平均值为该处的瞬变电磁场信号，再与背景场进行对比，获得不同位置的比值A及不同位置A与采样时间的曲线，如图4所示。

由图4可见，在70 m～40 m区段，不同位置处的A值可见，随着时间增加，在中期数据中，台车与线框距离越小，A值越大，在后期数据中，A值基本上趋于一致。说明在70 m～40 m段，台车对瞬变电磁信号的影响主要集中在中间时间，对于后期的数据来说，其影响会慢慢降低，后基本趋于一致。

图4 台车与线框不同位置(70 m～40 m)校正系数A及拟合曲线Fig.4 Correction coefficient A and fitting curve at different positions (70 m～40 m) of trolley and wireframe

3.3 台车与线框间距40 m～2 m干扰校正系数

将台车按照2 m间距移动由40 m移动至2 m处，共采集20处不同位置时候的瞬变电磁场，每处采集3组数据，取平均值为该处的瞬变电磁场信号，再与背景场进行对比，获得不同位置的比值A及不同位置A与采样时间的曲线，如图5所示。

图5 台车与线框不同位置(40 m～2 m)校正系数A及拟合曲线Fig.5 Correction coefficient A and fitting curve at different positions (40 m～2 m) of trolley and wireframe

由图5可见，在40 m～2 m区段，不同位置处的校正系数A值可见，随着时间增加，在中期数据中，台车与线框距离越小，A值越大，在后期数据中，30 m～40 m段数据基本上趋于一致，A值在1倍附近；在30 m～2 m段，数据随着台车与线框距离越来越小，A值越来越大，集中分布在2倍附近。这说明在40 m～30 m段，台车对瞬变电磁信号的影响主要集中在中间时间，对于后期的数据来说，其影响会慢慢降低，后基本趋于一致。在30 m～2 m段，台车对瞬变电磁信号的影响主要集中在中间及更深部位。因此，为保证瞬变电磁采集过程中的中后期数据，现场探测时，应保证台车与探测线框间距30 m以上。

3.4 不同位置台车影响校正拟合函数

通过在开挖隧道中进行1∶1现场模型试验，获取施工台车与瞬变电磁线框不同间距的感应电位数值，与背景场对比后得到不同间距的校正系数A，绘制了校正系数A随采样时间的曲线图，并通过拟合获取不同间距的拟合曲线，见表2。

表2 不同位置的拟合曲线Table 2 Fitting curves at different positions

以上拟合函数提供了不同时窗下的校正系数A，在有台车干扰情况下，通过对不同时窗i求取相应时窗的感应电位校正系数A(i)，通过前面提到的公式(2)，计算可得校正后的感应电动势数据为A0=Ai/A(i)。

4 工程技术应用

采用拟合函数校正法对隧道瞬变电磁超前预报干扰数据进行校正，对比分析校正前后的视电阻率断面图，以验证校正方法的有效性。现场数据采集时，由于仰拱开挖，台车只能移动至30 m处，使得探测数据产生畸变，中后期数据被抬高，造成信噪比降低。利用前面拟合获得的台车与线框间距30 m处的拟合曲线为：A(i)=0.000 003i3+0.000 4i2+0.004 5i+0.921 4；前文得到了没有金属干扰和有金属干扰的归一化感应电动势分布为A0和Ai，校正系数A=Ai/A0,可得到没有金属干扰下的感应电动势A0=Ai/A(i)。处理后的成图对比如图6、图7所示。

图6 未校正的视电阻率断面Fig.6 Cross section of uncorrected apparent resistivity

图7 校正后的视电阻率断面Fig.7 Cross section of corrected apparent resistivity

校正前的视电阻率断面如图6所示。由图6可知，探测前方有效信号被干扰响应覆盖，显示为探测前方40 m～70 m左侧整体低阻异常，不能排除该处掌子面前方左测是否具有导通性，无法辨别实际低阻异常范围。

经过校正后的视电阻率断面如图7所示。由图7可知，视电阻率整体被抬高，40 m～70 m处基本上无明显低阻区。金属干扰的响应得到剔除，校正后的视电阻率断面图可反映隧道前方岩层的典型特征。开挖后，掌子面一直处于比较干燥的状态，前方揭露无水，取得良好的探测效果。

5 结论

1) 瞬变电磁探测隧道水害过程中，台车对瞬变电磁探测的影响强弱随台车与线框的距离增大而减小，通过拟合校正系数和拟合函数，在确保不失真的条件下剔除金属干扰，准确地还原地层的真实电性特征，提高了台车干扰下的瞬变电磁探测含水体的准确性。

2) 通过对台车的影响校正，可减小探测过程中台车移动的距离，减少探测对施工的影响。