高損耗電磁波條件下隧道超前探水預測

邵建國，梁珠擎

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

目前國內(nèi)外用于探水的電磁方法有核磁共振（M RS）[1]、高密度電法[2]、音頻電磁測深（CSAM T）[3]、瞬變電磁（TEM）[4-5]等方法。這些方法主要用于地面條件，很難被移植到隧道中。

CFC復頻電導法是一項利用電磁波進行隧道超前探水預測的技術(shù)，之前在巴基斯坦NJ-TBM引水工程、我國新疆某TBM工程和貴州德江隧道進行超前探水預測中均取得了很好的效果。預測結(jié)果表明CFC技術(shù)預報距離可達到或超過100 m，適合隧道長距離超前探水，特別是TBM施工隧道。由于CFC探水技術(shù)主要是利用中頻電磁波，為了進一步探索其適用性，本文選取徐樓鐵礦[6-7]作為此次研究的工區(qū)。徐樓鐵礦圍巖含鉀、鈉量極少，氧化鈣、氧化鎂含量較多，礦床類型為矽卡巖礦床，巷道圍巖為含礦巖體，其電導率與介電常數(shù)比一般的花崗巖、灰?guī)r及砂巖高得多，對電磁波具有較高的損耗。

1 C FC探水的觀測方式與儀器設(shè)備

1.1 數(shù)據(jù)采集方式

CFC探水是通過發(fā)射電磁波、接收電磁波并確定相干頻率來實現(xiàn)的。電磁波的發(fā)射與接收都采用偶極子天線，天線做成電極埋設(shè)在隧道左右兩側(cè)。一組發(fā)射，3～5組接收。發(fā)射與接收天線排成陣列觀測方式。陣列式接收的目的是提高觀測系統(tǒng)的方向性，使掌子面前方的信號得到加強，側(cè)向的信號被削弱。接收的電極越多，成像的方向性越好。電極埋設(shè)于圍巖中，并與圍巖緊密接觸，確保傳導電流與位移電流同時起作用，這與傳統(tǒng)的雷達天線不同。陣列式采集有兩種工作方案：一種是大排列方式，另一種是組合方式。大排列方式是采用一對電極A、B發(fā)射，多對接收電極M、N組成陣列同時接收；組合方式是一對電極發(fā)射，位置不變，另一對電極移動接收，每發(fā)射一次，接收電極移動一次。聯(lián)合多次發(fā)射與接收，組成一個完整陣列。這兩種方式的探測效果相同。數(shù)據(jù)采集中A、M電極布置在隧道一側(cè)，B、N電極布置在另一側(cè)，沿隧道排列，如圖1所示。A與B、M 1與N1、M 2與N2、M 3與 N3的間距為 5～10 m，電極長度為1.5～2.0 m。與掌子面保持一定距離，不影響掘進機頭工作。探測時同步記錄發(fā)射極電流與接收極電壓。通常采用5對接收電極。

圖1 隧道內(nèi)CFC觀測系統(tǒng)圖

1.2 發(fā)射與接收設(shè)備

CFC復頻電導探測使用北京同度工程物探技術(shù)有限公司開發(fā)的高壓寬頻發(fā)射機與電磁波數(shù)字記錄器（見圖2）。發(fā)射機為脈沖調(diào)制寬帶發(fā)射，頻帶在100 kH z～20 M H z。最高發(fā)射峰值電壓6 kV，發(fā)射電流可達120 A。發(fā)射與接收電極分布于圍巖中，有效地減小了隧道內(nèi)各種干擾，提高了信噪比。電磁波數(shù)字記錄器為雙通道，采樣率為0.01 μs，動態(tài)16位；同步記錄發(fā)射電流與接收極電壓。CFC探測儀器硬件系統(tǒng)已完成升級，體積更小，重量更輕，使用更方便。

圖2 CFC發(fā)射機與接收機

CFC技術(shù)基于中頻電磁波的反射與相干原理，在地質(zhì)雷達領(lǐng)域，這是一種全新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在中頻時域記錄中，入射波與反射波在時間上交叉在一起，從走時上難以區(qū)分，很難像地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理那樣通過反射波走時來確定反射面位置。CFC針對隧道探測波場的這一特點，建立了頻域相干分析方法。

2 C FC復頻電導探水工程實踐

2.1 徐樓鐵礦工程概況

徐樓鐵礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，隸屬徐樓鎮(zhèn)，地質(zhì)上位于華北地層區(qū)。大理巖是礦體的直接頂板，巖溶裂隙發(fā)育，含水豐富，導水性較強，探水工作布置在出礦巷道，如圖3所示，探測兩條巷道掌子面前方的含水情況。巷道圍巖為含礦巖體，其電導率與介電常數(shù)比一般的花崗巖、灰?guī)r及砂巖高得多，其地質(zhì)環(huán)境對電磁波具有很高的損耗。

2.2 CFC的觀測系統(tǒng)

該次CFC觀測系統(tǒng)的布置如下：

（1）接收電極M、N四組，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，同側(cè)電極間距16.0 m，埋深1.5 m。

（2）激發(fā)電極A、B一組，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，距最近接收電極16 m。

圖3 徐樓鐵礦出礦隧道

（4）電極采用海綿耦合，如圖4所示。

圖4 CFC激發(fā)與接收方式（單位：m）

2.3 隧道超前探水結(jié)果

淮北徐樓鐵礦探水項目包含兩個隧洞，每個隧洞探測100 m。外業(yè)工作結(jié)束后隨即對當天采集的數(shù)據(jù)進行分析、整理并檢查和復核，在此基礎(chǔ)上對所采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析、評價。其典型的CFC信號頻譜如圖5所示。

圖5 典型的CFC信號頻譜

CFC數(shù)據(jù)的處理主要經(jīng)過記錄選取、數(shù)據(jù)預處理、觀測系統(tǒng)幾何位置編輯、頻譜分析與歸一化、CFC電磁波速掃描、CFC合成孔徑偏移成像計算等過程。根據(jù)能量最大化原理進行圍巖電磁波速掃描和偏移成像。

數(shù)據(jù)處理后得到徐樓鐵礦-217 10-5和-205 10-6出礦巷掌子面前方100 m內(nèi)含水結(jié)構(gòu)的CFC偏移圖像。現(xiàn)對兩個隧道的預報結(jié)構(gòu)分述如下。

2.3.1 徐樓鐵礦-217 10-5隧道的探測結(jié)果

徐樓鐵礦-217 10-5隧道的探測結(jié)果如圖6所示。從偏移圖像可以看出，掌子面前方100 m內(nèi)的地質(zhì)情況分為兩段：

第一段：掌子面前方0～30 m，電磁波反射能量較小，不含水。

第二段：掌子面前方30～100 m，反射波能量增強。特別是85～95 m范圍內(nèi)，電磁波反射的能量最強。速度掃描顯示圍巖電磁波速很低，僅為0.044 m/ns，相對介電常數(shù)很大，為46.54左右。這說明該段或者富含水，或者為導電性較好的金屬含礦帶。

預測結(jié)果：0～30 m，水量相對較?。?0～100 m特別是在85～95 m范圍內(nèi)圍巖含水量較大或者存在金屬含礦帶。

2.3.2 徐樓鐵礦-205 10-6隧道的探測結(jié)果

徐樓鐵礦-205 10-6隧道的探測結(jié)果表示在圖7中。結(jié)果顯示掌子面前方的100 m地質(zhì)情況分為兩段：

第一段：0～50 m，電磁波反射能量較小，不含水。

第二段：50～100 m，特別是65 m附近，電磁波反射能量較強。同時該段圍巖電磁波速為0.07 m/ns，相對介電常數(shù)為18.4左右，介電常數(shù)比較大。

預測結(jié)果：0～50 m，水量較?。?0～100 m特別是在65 m附近圍巖含水量較大或者為金屬含礦物帶。

徐樓鐵礦的地質(zhì)資料顯示，徐樓礦區(qū)含水層為該水文地質(zhì)亞區(qū)含水層系統(tǒng)的一部分，鐵礦床發(fā)育于碳酸鹽巖與巖漿巖體侵入接觸部位，圍巖裂隙巖溶發(fā)育，富水性強，與CFC復頻電導測試結(jié)果基本一致。

之后在徐樓鐵礦-205 10-6隧道的施工過程中也證實了在掌子面前方65 m左右鉆孔出現(xiàn)涌水，遇到了含水地層。

3 結(jié)語

本文以徐樓鐵礦為研究區(qū)域，對兩個隧道展開研究。試驗結(jié)果表明，在導電率和介電常數(shù)都較高的含金屬礦的介質(zhì)中，CFC仍然可以正常工作。只是在數(shù)據(jù)處理中要特別注意，含水結(jié)構(gòu)與含金屬礦結(jié)構(gòu)對于CFC來說，具有類似的、較強的電磁反射，僅靠偏移圖像難以將它們進行區(qū)分，需要與礦區(qū)地質(zhì)資料進行對比分析。

圖6 徐樓鐵礦-217 10-5隧道CFC偏移圖像

圖7 徐樓鐵礦-205 10-6隧道CFC偏移圖像