瞬變電磁法在隧道超前地質預報中的應用

李枝文

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 404100)

1 瞬變電磁法基本原理及觀測系統(tǒng)布置方式

瞬變電磁法的激發(fā)場源通常有兩種，一種是接地電極形式的電流源，另一種是回線形式的磁源。以下以理想條件下的瞬變電磁響應為例，探討使用回線裝置的磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場，進而簡要闡明其探測的理論基礎。

假設在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發(fā)射回線裝置，同時在回線中供以階躍脈沖電流

(1)

在持續(xù)穩(wěn)定供電之前(t<0時)，一個穩(wěn)定的磁場會在回線裝置四周的大地和空間建立起來，如圖1所示。

圖1 矩形框磁力線

若在t=0時刻，突然斷開電流，在一次場斷電后，感應的二次場就會在地下介質中產生，由于感應電流在良導電介質會產生明顯的熱損耗，二次場基本上呈指數(shù)規(guī)律隨時間衰減，這樣就形成了瞬變電磁場。二次場的主要來源是良導體介質內產生的感應電流，因此它含有地下介質相關的重要地質信息，尤其是含水體等良導體信息。利用回線裝置接收二次場數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和解釋，可以推斷地下介質和相關物理參數(shù)情況。

瞬變電磁在超前探測應用中通常采用多匝重疊回線裝置的裝置形式，發(fā)射線框采用多匝1.5 m×1.5 m矩形回線。為了多角度綜合判斷前方地質情況，現(xiàn)場探測采用縱向、橫向和沿著掌子面前方逐點探測三種方式掃描，縱向方向掃描上下各60°范圍，每10°一個測點，共13個測點；橫向方向掃描左右各60°范圍，每10°一個測點，共13個測點，橫向共采集仰角0°、仰角30°兩個方向上的數(shù)據(jù)；掌子面正前方離底板約2 m布置一條橫測線，每隔2 m探測一次?，F(xiàn)場觀測系統(tǒng)布置方式示意圖如圖2～圖3。

圖2 掌子面縱向扇形探測示意圖

圖3 掌子面橫向扇形探測示意圖

2 瞬變電磁法的資料解釋

渝廣高速公路華鎣山隧道位于重慶市北碚區(qū)靜觀鎮(zhèn)，隧道地質條件非常復雜，隧址區(qū)巖溶非常發(fā)育，溶蝕洼地、溶洞、暗河等不良地質在隧道開挖過程中均可能出現(xiàn)，且地下水補給充足。為了初步查明掌子面前方地層含水情況，考慮將瞬變電磁法應用到實地探測中。探測時掌子面所在樁號為Z2K26+221，掌子面巖性為泥灰?guī)r，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，方解石充填，層理清楚，圍巖干燥。

瞬變電磁法的資料解釋通常包括以下幾步：首先對現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行降噪處理，視電阻率曲線依據(jù)晚期場公式計算得到，然后進行時深轉換可以得到各條測線的視電阻率剖面圖，最后依據(jù)探測區(qū)域的電性剖面圖同時結合地質資料進行綜合分析解釋，可以定性推斷地層含水區(qū)分布狀況。

(1)縱向扇形探測情況

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)經過數(shù)據(jù)編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得到如圖5視電阻率等值線圖。由圖4可知，掌子面正前方88～100 m、拱頂方向0～20 m范圍內視電阻率相對較低，推測該區(qū)域為巖溶發(fā)育含水區(qū)域。

圖4 縱向扇形探測視電阻率等值線圖

(2)橫向扇形探測(仰角0°)探測情況

橫向扇形探測數(shù)據(jù)經過數(shù)據(jù)處理后，可得如下圖5視電阻率等值線圖。由圖5可知，掌子面正前方90～100 m、左側10 m～右側38 m范圍內視電阻率值相對較低，推測該區(qū)域為巖溶發(fā)育含水區(qū)域或巖溶裂隙含水帶。

圖5 橫向扇形探測(仰角0°)視電阻率等值線圖

(3)橫向扇形探測(仰角30°)探測情況

橫向扇形探測數(shù)據(jù)經過數(shù)據(jù)處理后，可得如圖6視電阻率等值線圖。由圖6可知，掌子面正前方92～100 m、左側0 m～右側30 m范圍內視電阻率值相對較低，推測該區(qū)域為巖溶發(fā)育含水區(qū)域或巖溶裂隙含水帶。

圖6 橫向扇形探測(仰角30°)視電阻率等值線圖

(4)掌子面正前方探測情況

掌子面正前方探測數(shù)據(jù)經過數(shù)據(jù)處理后，可得如圖7視電阻率等值線圖。由圖7可知，掌子面正前方100 m范圍內未見明顯低阻異常。

圖7 掌子面正前方視電阻率等值線圖

3 結論與建議

(1)根據(jù)物探成果并結合地質資料綜合分析，可推斷得到以下幾點結論。

①掌子面正前方88～100 m、拱頂方向0～20 m范圍內(樁號Z2K26+133～Z2K26+121區(qū)域)視電阻率相對較低，推測該區(qū)域為巖溶發(fā)育含水區(qū)域，主要來自拱頂方向。

②掌子面正前方90～100 m、左側10 m～右側38 m范圍內(樁號Z2K26+131～Z2K26+121區(qū)域)視電阻率值相對較低，分析為巖溶發(fā)育含水區(qū)域；掌子面正前方92～100 m、左側0 m～30 m范圍內(樁號Z2K26+129～Z2K26+121區(qū)域)視電阻率值相對較低，推測該區(qū)域為巖溶發(fā)育含水區(qū)域或巖溶裂隙含水帶。綜合分析，在掘進到上述區(qū)域附近時即樁號Z2K26+133～Z2K26+121段施工可能發(fā)生突水突泥等危險，需采取相應安全措施。

(2)建議在物探異常區(qū)，應采用超前鉆探手段對物探結果進行驗證，進一步修正前方預測的地質情況，特別是在施工穿越受巖溶或裂隙發(fā)育影響的Z2K26+133～Z2K26+121段，主要為來自拱頂和左邊墻方向的影響，應優(yōu)化施工工藝，短進尺，強支護，提前做好防突泥、防突水、防坍塌等相關應急措施。

(3)施工中如出現(xiàn)涌水量突變的情況，應及時撤離人員，并向有關領導匯報。