瞬变电磁法在引水隧洞超前地质预报中的应用

张旭杰

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710000)

超前地质预报是在隧道开挖工作中对隧道中的围岩和地层等情况进行超前预报的一种手段,其有利于分析该区域的地质情况,并可根据地质预报结果进行后续的施工等工作。常见的超前地质预报方法有高密度电阻法、瞬变电磁法、地震波法和声波法等。其中,瞬变电磁法对水比较敏感,并且探测的距离远,适用于引水隧洞的超前地质预报工作。

1 瞬变电磁法基本原理及特点

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)也称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods,TEM),是以地壳中岩石和矿石的导电性差异为物理基础,并利用接地导线等线路,以脉冲电流作为场源,通过分析电场中二次场随时间变化的响应,分析地下介质的电性变化情况,进而了解探测区域的地质情况[1]。瞬变电磁法的工作原理是利用电磁感应定律分析电磁场变化,当使用瞬变电磁法发射脉冲磁场时,电磁场的衰减过程可分为早期、中期、晚期,而三个时期的电磁场又呈现不同的状态,早期的电磁场衰减快、趋肤深度小,中期的电磁场衰减速度适中、趋肤深度适中,而晚期的电磁场衰减满、趋肤深度大。通过分析断电后不同时间段的二次场随时间变化的规律,能进一步分析得出不同深度的地电特征,并基于此确定探测区域的地质情况[2]。

根据瞬变电磁法的基本原理,该方法具有以下几个特点。(1)在应用时其能将频率域的精度问题转化为灵敏度问题,在探测时通过增加设备的功率和灵敏度就能增大信噪比,从而加深探测的深度。(2)采用同点组合进行探测有助于提高探测的精度。(3)在实际的探测工作中,由于对线圈的布置要求不高,整体工作操作比较简单,工作效率也比较高。(4)由于使用该方法进行探测时能穿透低阻,因此其探测深度大,可满足较深隧洞的探测需求。(5)该方法能使剖面测量和测深工作同时完成,进一步提高工作效率[3]。

2 瞬变电磁法在隧洞中的应用现状

随着我国交通运输事业的发展,在工程中面临的各种极端环境也越来越多,瞬变电磁法由于其探测深度大、工作效率高等特点,在地面和隧洞的工程建设中均有广泛的应用。但其在隧洞中的应用的间较短,在上世纪末时仍处于研究和试行阶段。相比在地面上的应用,瞬变电磁法在隧洞中的应用有以下三点特征。

(1)由于隧洞与地面不同,其内场是全空间的,在使用瞬变电磁法进行探测时,所获取的探测信息包含布置线圈周边的地质信息。(2)隧洞不如地面空间广阔,在探测时不能通过增加线圈尺寸来增加探测范围,一般需要通过增加线圈匝数来增加探测范围。(3)外界因素影响大,虽然超前预报工作一般在施工之前进行,但此时场地仍包含各种施工机器和设备,此类机器和设备一般由金属制成,在使用瞬变电磁法时可能会影响隧洞内的电磁场,从而影响超前预报结果。

针对以上三点问题,目前第一点仍未形成较好的解决办法,但针对某些情况,可近似地认为整个环境是半空间的,例如在隧道掌子面尺寸大于发送回线边长5倍时。针对第二点探测范围的问题,目前已经取得了较好的研究成果,目前比较常用的是惠州院和西安煤科院的研究成果,惠州院对收发线圈进行了改进[4],而西安煤科院使用磁探头替代了原本的收发线圈,进一步优化了探测质量[5]。针对第三点外界因素影响问题,也取得了一定研究进展,一般可通过调整设备位置和距离来减轻其对探测结果的影响,但由于某些设备和设施在设置后就难以移动,因此,此类设备和设施造成的影响难以解决。

3 瞬变电磁法在引水隧洞超前地质预报中的应用

3.1 工程概况

为研究瞬变电磁法在引水隧洞超前地质预报中的应用,以西北地区某引水工程的输水隧洞为例开展分析。该隧洞全长约31.9 km,包括闪石英片岩、石英片岩、花岗闪长岩等岩脉。由于隧洞较长,其在不同洞段的地质、地层结构均存在差异,因此,为分析不同洞段的隧洞情况,将整个隧洞根据大致的地质和地层结构分为若干段。其中一标隧洞围岩主要是灰白色前震旦系马衔山群角闪石英片岩、花岗闪长岩等,夹有部分石英岩脉,岩石呈弱风化—微风化。同时一标中的洞段下穿某河,该河年径流量为2 674.5万m3,该洞段的洞顶距离河底部仅有36 m,一旦该部分的岩层破裂或者岩层裂隙扩大,很可能发生突涌,影响施工安全。七标由三个处理段组成,包括1个软硬岩和2个断层,自上游至下游的岩层依次为安山岩、红褐色断层泥和角砾岩、砂砾岩。经分析,整个隧洞的绝大部分洞段处于地下水位以下,在实际的探测和施工中,受地下水和隧洞深度的影响,需要对水敏感、探测距离远的探测进行超前地质预报工作。基于此,将瞬变电磁法作为该隧洞超前地质预报的主要探测方法,针对某些难以探测到的盲区,使用探地雷达法进行探测。

3.2 仪器设备、参数设置

本次探测使用到的主要仪器和设备为矿用瞬变电磁仪(西安煤科院研制,型号为YCS-2000A)。其基本参数设置见表1[6]。

表1 主要设备基本参数设置

3.3 测线布置

根据对隧洞的分析,采用测线布置[7]见图1。其中,不同的角度代表发射线圈法线方向与掌子面的夹角。

图(a)为本次工程隧洞的水平扇形扫描测线,箭头指向方向的度数为与掌子面右壁的夹角;图(b)为本次工程隧洞的垂向扇形扫描测线,箭头指向方向的度数为与掌子面右壁的夹角。

3.4 探测方法

在使用瞬变电磁法进行隧洞超前地质预报时,根据已确定的测线布置方式进行仪器设备和测线的布置,此过程中需对场地周边的仪器和设备进行处理,对可移动的设备进行移动,减少其对探测结果的影响,对无法移动的设备进行位置记录,用以后续的探测结果分析。同时,需注意以下技术的要求。(1)测线应布置于地形平坦的场地,保证测线覆盖所有探测区域,并尽量远离地面的各种设施,以减少其对探测结果的影响。(2)严格把控剖面方向及剖面长度,剖面方向应与隧洞走向垂直,剖面长度应结合正常场的长度确定。(3)在进行普查工作时,对于重叠回线和中心回线,一般测线间距等于回线边长L,测点间距的大小为1/2L～L;对于大定源回线,测线间距和测点间距相比重叠回线和中心回线的要密一倍;此外,在进行详查工作时,由于重叠回线的重叠覆盖率可达到90%,因此,一般选择大定源回线[8]。(4)在选择采样延时、线圈叠加次数、回线边长时,应通过实地试验和分析确定。(5)在铺设回线时,应注意测线方位与测点间距的偏差,从而减少探测结果的误差。(6)除需记录场地周边的影响因素外,还应记录地面的影响因素,考虑到本次工程的地理位置,应记录地质、地貌、风力等自然条件对读数的影响。

3.5 数据处理方法

在使用矿用瞬变电磁仪获取探测结果后,需要对数据进行处理。首先进行数据预处理,使用滤波方法处理数据中的噪声干扰问题,由于不同响应的剖面曲线和衰减曲线需使用不同的滤波方法。因此,在进行数据预处理工作时,需根据实际情况选择合适的滤波方法,常用的滤波方法有三点滤波法、四点滤波法、六点滤波法、卡尔曼滤波法和函数拟合法。其中,三点滤波法适用于衰减曲线和剖面曲线,四点滤波法和六点滤波法适用于剖面曲线,卡尔曼滤波法和函数拟合法适用于衰减曲线(在响应无负值的情况下)[9]。在完成数据预处理工作后,使用矿用瞬变电磁仪配套的数据处理软件作为数据处理解释软件,并按照以下原则进行资料解释。(1)异常的定性解释原则,通过多种方法准确区分正常场和异常场,并根据异常的规模划定异常等级,例如,通过对比衰减曲线的缓慢程度确定正常场。(2)异常的半定量和定量解释原则。使用该原则进行资料解释的目的是确定或检验异常源的性质,并计算其埋深、产状、规模等,可通过理论公式和经验公式计算。此外,已知不同岩层的电阻率存在差异,在进行数据处理时需考虑此方面因素的影响。

3.6 超前地质预报结果

利用瞬变电磁法进行隧洞超前地质预报,得出以下几个洞段存在异常。第一处为一标中的一处岩体储水,具体情况如下。一标上游掌子面中央垂向扇形扫描见图2,该次扫描的探测范围主要是石英片岩,因此,其视电阻率大于40 Ω·m。根据图2可以分析得出,掌子面的正前方存在一个视电阻率低于40 Ω·m的低阻团(图中虚线圆圈处),该低阻团距离掌子面的距离约为62 m,横截面积约为63.6 m2,由于此洞段位于水体附近,因此,推测该段岩体中存有水体。发现施工后图2中标记位置确实存在岩体破碎和多点渗水现象。由此可见,预报结果与实际结果对应较好。

横轴L—回线边长;纵轴x—掌子面横向水平距离。

第二处为一标中的三处岩体储水,具体情况如下。一标4号井段下游掌子面水平扇形扫描见图3,该次扫描的探测范围主要是石英闪长岩,因此,其视电阻率大于35 Ω·m。根据图3可以分析得出,掌子面的正前方存在两个视电阻率低于35 Ω·m的低阻团(图中虚线椭圆处),掌子面正前方右侧存在一个视电阻率低于35 Ω·m的低阻团(图中虚线椭圆处),三个低阻团呈椭圆形,最大的横截面积约为536.9 m2,最小的横截面积约为37.7 m2,由于此洞段位于水体附近,因此,推测该段岩体中存有水体。发现施工后图3中掌子面正前方右侧壁有水流喷出,射程在1 m左右,与预报中的结果相符。

横轴x—掌子面横向水平距离;纵轴L—回线边长。

由于一标4号井段下游掌子面正前方存在两个低阻团,为避免瞬变电磁法的探测出现盲区,采取探地雷达法对该区域进行二次探测,使用探地雷达法进行探测的成果见图4。根据图4可以分析得出,成果图前方8～13 m左右存在介电常数界面(图中虚线圈处),此结果与瞬变电磁法探测所得的结果相同,验证了瞬变电磁法探测结果的准确性。

横轴x—掌子面横向水平距离;纵轴h—纵向探测距离。

3.7 超前地质预报结果评价

本次工程的超前地质预报结果统计见表2。其中,已预报次数指使用瞬变电磁法进行超前地质预报的次数,已验证次数指已经验证过预报结果的次数,有效次数指已进行过预报并且验证结果属实的次数,无效次数指已进行过预报但验证结果不属实的次数[10]。同时,由于施工未完全结束,因此部分掌子面未掘进至异常位置,暂时未能完成验证。由表2可知,在共13次验证中,有效次数的比例为76.9%,无效次数的比例为23.1%。

表2 超前地质预报结果统计

根据表2的超前地质预报结果进行分析可以得出,一标的有效预报次数占比为90.0%,而七标的有效预报次数仅占33.3%。基于此,作出如下分析。(1)根据施工地的详情,一标区域没有锚网(金属材质)支护,而七标区域包含大量的锚网支护,此类锚网支护会对瞬变电磁法的探测产生干扰,从而影响探测结果。(2)一标岩性变化不大,而七标岩性变化明显,并且地下水、岩性成分等均可能造成异常。(3)一标工作面清理符合探测要求,而七标工作面设备和杂物过多,其清理偶尔不符合探测要求。

4 结 论

(1)瞬变电磁法在水患严重的隧洞工程建设中有着重要的作用和明显的技术优势,可以很好的完成超前地质预报工作。(2)由于瞬变电磁法可能受其他因素影响,因此,一般可以选择探地雷达法作为其辅助探测技术,保证不遗漏任何需探测的问题。(3)地层、岩层中的金属和金属设备中的金属干扰,以及异常位置精度是瞬变电磁法的短板,目前仍有待解决。