傳統(tǒng)瞬變電磁法的改進(jìn)及其在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

伍小剛，李天斌，張 中，薛德敏

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

道路交通工程建設(shè)中經(jīng)常需要修建隧道，隧道工程具有隱蔽性，隧址區(qū)可能存在含水不良地質(zhì)體，隧道開(kāi)挖遇到含水不良地質(zhì)體時(shí)若防治措施不到位容易引發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至危及人身安全。因此查明隧址區(qū)含水不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，及時(shí)采取防治措施可有效避免人身傷害，減小經(jīng)濟(jì)損失。隧道施工前的勘察資料一般是對(duì)隧址區(qū)和沿隧道軸線的宏觀地質(zhì)條件進(jìn)行描述，無(wú)法查明含水不良地質(zhì)體的分布特征和賦水特征。因此，開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作對(duì)含水不良地質(zhì)體的探測(cè)具有重要意義，對(duì)含水不良地質(zhì)體的成功預(yù)報(bào)能科學(xué)指導(dǎo)隧道安全施工，為工程建設(shè)保駕護(hù)航。

瞬變電磁法是地質(zhì)勘探物探法之一。1978年加拿大Geonics 公司開(kāi)始研發(fā)瞬變電磁儀（PROTEM），通過(guò)激發(fā)磁場(chǎng)對(duì)地質(zhì)體充電使之產(chǎn)生渦流，渦流激發(fā)的二次磁場(chǎng)被接收，以此獲得地質(zhì)信息。我國(guó)從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始研究瞬變電磁法，之后逐步將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。瞬變電磁法對(duì)地下水具有較強(qiáng)的敏感度，常用于勘探地下水源、巖溶發(fā)育區(qū)、含水節(jié)理裂隙發(fā)育帶等[1-4]。目前瞬變電磁法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中已取得一定成果，李貅等[5]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)凼子隧道進(jìn)行探測(cè)，證明了瞬變電磁法對(duì)低阻含水?dāng)鄬印⒊淠喑渌芏?、含水含泥破碎帶等不良地質(zhì)體反應(yīng)靈敏。段錚等[6-8]在銅羅山隧道、明月山隧道和紫平鋪隧道進(jìn)行瞬變電磁法解譯研究，初步建立了一套瞬變電磁法圖件解譯標(biāo)志。譚代明等[9]為探明滬蓉高速公路某隧址區(qū)斷層中地下水發(fā)育情況，用瞬變電磁法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)了較大范圍的低阻異常區(qū)；接近異常區(qū)時(shí)，進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，最大涌水量達(dá)116 m3/h。余東俊等[10-11]總結(jié)了瞬變電磁法的常見(jiàn)干擾因素，并建立了圖件解譯的一般規(guī)則。Li Shucai 等[12]、沈曉鈞等[13]在滬蓉西高速公路、錦屏二級(jí)水電站和膠州灣海底隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中總結(jié)出探地雷達(dá)法和瞬變電磁法相結(jié)合可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地下水的經(jīng)驗(yàn)。孟陸波等[14]在華鎣山公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中揭示了溶蝕裂隙區(qū)域視電阻率等值線存在局部閉合的規(guī)律。秦浩靖等[15]準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出平陽(yáng)隧道的含水裂隙發(fā)育帶，指導(dǎo)安全施工。

以上成果可為隧道工程建設(shè)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但這些成果均是采用沿單測(cè)線進(jìn)行測(cè)試的傳統(tǒng)瞬變電磁法取得的，傳統(tǒng)瞬變電磁法不注重觀測(cè)裝置和地質(zhì)體之間的耦合性，易出現(xiàn)弱耦合或零耦合現(xiàn)象，易導(dǎo)致預(yù)報(bào)不準(zhǔn)或漏報(bào)。葉展榮[16]對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況按照傳統(tǒng)方法測(cè)試，在掌子面邊墻處以15°為角度間隔水平轉(zhuǎn)動(dòng)線圈，將探測(cè)方向從平行隧道軸線的方向逐步轉(zhuǎn)向垂直隧道軸線的方向，增加了對(duì)隧道兩側(cè)地質(zhì)情況的探測(cè)，對(duì)提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性有一定幫助，對(duì)以轉(zhuǎn)動(dòng)觀測(cè)裝置進(jìn)行探測(cè)的方式有一定啟發(fā)，但仍只在水平方向進(jìn)行多角度測(cè)試，豎直方向角度沒(méi)有變化。

共軸偶極法通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置從豎直和水平兩個(gè)方向進(jìn)行多角度探測(cè)，與傳統(tǒng)方法相比耦合效果更好；多個(gè)角度的探測(cè)結(jié)果相互印證具有比傳統(tǒng)方法更高的準(zhǔn)確性。本文采用傳統(tǒng)方法和瞬變電磁共軸偶極法對(duì)天池隧道同一里程段的含水不良地質(zhì)體進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)挖結(jié)果證明共軸偶極法對(duì)含水不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性比傳統(tǒng)方法要高。

1 工程概況

1.1 工程背景

九綿高速公路全長(zhǎng)212 km，預(yù)算總投資約400億人民幣，計(jì)劃工期為6年，預(yù)計(jì)2021年年底正式通車。九綿高速公路起于四川省綿陽(yáng)市游仙區(qū)東林鎮(zhèn)張家坪，途經(jīng)綿陽(yáng)市、江油市、北川縣、平武縣、九寨溝縣，止于九寨溝縣城南，是連接綿陽(yáng)和九寨溝的交通要道，隧道占比大，沿線脆弱的生態(tài)環(huán)境和復(fù)雜的地質(zhì)條件使隧道施工面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1.2 工程地質(zhì)概況

九綿高速公路天池隧道隧址區(qū)跨越江油市太平鎮(zhèn)邊界溝村及天池村，左線起止里程范圍為ZK223+305—ZK222+403，共902 m；右線起止里程范圍為YK223+295—YK222+401，共894 m。隧址區(qū)屬于山區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜，豐富的年降水量為隧址區(qū)地下水提供補(bǔ)給，巖溶發(fā)育，可能存在兩處斷層破碎帶，隧道開(kāi)挖易出現(xiàn)涌水、突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

2 瞬變電法原理

2.1 基本原理

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，一次電磁場(chǎng)衰減使地質(zhì)體中產(chǎn)生渦流，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的渦流衰減產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的時(shí)間域電磁法。其原理見(jiàn)圖1，圖中Tx為接收線圈，Rx為發(fā)射線圈。

圖1 瞬變電磁法原理Fig.1 Principle of transient electromagnetic method

隧道四周都是圍巖，這種環(huán)境適合運(yùn)用讓整個(gè)空間都為瞬變電磁作出響應(yīng)的全空間瞬變電磁法，全空間瞬變電磁法早期和晚期視電阻率（ρT）的計(jì)算公式如下：

式中：C—全空間響應(yīng)系數(shù)；

S—發(fā)射線圈等效面積/m2；

s—接收線圈等效面積/m2；

U—接收的歸一化二次場(chǎng)電位/V；

t—接收的二次場(chǎng)衰減時(shí)間/μs。

晚期渦流場(chǎng)在圍巖中傳播深度H的計(jì)算公式如下：

式中：I—發(fā)射機(jī)電流/A；

S—發(fā)射線圈等效面積/m2；

η—未供電激勵(lì)時(shí)接收回線單位面積接收到的干擾信號(hào)。

2.2 地質(zhì)解譯

瞬變電磁法獲得的成果是以探測(cè)寬度為橫坐標(biāo)，以探測(cè)深度為縱坐標(biāo)的視電阻率等值線圖。需根據(jù)視電阻率等值線特征、視電阻率值和坐標(biāo)來(lái)判斷地質(zhì)情況和推測(cè)不良地質(zhì)體位置，解譯原則為：視電阻率與地質(zhì)體含水率呈負(fù)相關(guān)，即視電阻率越大則地下水越不發(fā)育，視電阻率越小則地下水越發(fā)育。典型的不良地質(zhì)體解譯如下：

（1）斷層：干斷層視電阻率等值線基本平行，分布稀疏，視電阻率值較大。含水?dāng)鄬右曤娮杪实戎稻€形態(tài)依情況而定，視電阻率值較小，總體符合斷層兩側(cè)大、中間小的規(guī)律。

（2）溶洞：干溶洞（空腔）視電阻率等值線基本平行，若周圍地下水發(fā)育則視電阻率等值線易形成近似沿溶洞邊界且中部視電阻率大而周圍視電阻率小的閉合形態(tài)。充水（泥夾石）溶洞視電阻率等值線也易形成閉合形態(tài)，但中部視電阻率小而周圍視電阻率大。

（3）溶隙、裂隙：視電阻率等值線形態(tài)依溶隙、裂隙發(fā)育形態(tài)而定，一般較雜亂，視電阻率較小。

3 基于良-強(qiáng)耦合性的共軸偶極法

3.1 耦合性探討

地質(zhì)體在空間的展布情況具有復(fù)雜性，不同形態(tài)的地質(zhì)體與磁場(chǎng)耦合情況不同。一般情況下，邊界比較平滑、形態(tài)比較立體的地質(zhì)體更容易被磁感線穿越，達(dá)到良好的耦合效果；如果邊界比較粗糙、形態(tài)比較扁平，地質(zhì)體與磁感線近乎平行或平行，耦合效果會(huì)下降甚至達(dá)到零耦合狀態(tài)，地質(zhì)體與磁感線耦合情況如圖2所示。

圖2 磁感線與地質(zhì)體耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of the coupling of magnetic inductance lines and geological bodies

3.2 傳統(tǒng)方法的不足

耦合效果直接影響數(shù)據(jù)的有效性，傳統(tǒng)方法是將發(fā)射線圈和接收線圈安裝在同一支架上[7，10]，將支架貼近掌子面（圖3），逐步移動(dòng)支架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 測(cè)線布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of line survey layout

由于傳統(tǒng)方法的測(cè)試角度單一，地質(zhì)體與磁場(chǎng)容易出現(xiàn)弱耦合甚至零耦合現(xiàn)象，可能導(dǎo)致預(yù)報(bào)不準(zhǔn)的情況[6-7，11，13]，如表1所示。

3.3 共軸偶極法

為了盡可能避免磁感線與地質(zhì)體出現(xiàn)弱耦合或者零耦合現(xiàn)象，需對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行多角度探測(cè)[17-21]，即多次旋轉(zhuǎn)線圈使得磁場(chǎng)與地質(zhì)體達(dá)到良好的耦合效果。本文考慮隧道工作環(huán)境的影響，選擇共軸偶極法進(jìn)行多角度測(cè)試，將接收線圈（Rx）貼近掌子面放置，發(fā)射線圈（Tx）在Rx 后方10 m 左右，Tx和Rx 都位于隧道軸線上，將Tx和Rx 在水平和豎直方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度（兩者保持平行），如圖4所示。將線圈旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為：（1）水平方向旋轉(zhuǎn)角度依次為左45°、左30°、左15°、0°、右15°、右30°、右45°；（2）每一個(gè)水平方向角度對(duì)應(yīng)7個(gè)豎直方向旋轉(zhuǎn)角度，即當(dāng)水平方向角度確定時(shí)，Tx和Rx的豎直方向旋轉(zhuǎn)角度依次為上45°、上30°、上15°、0°、下15°、下30°、下45°。

多角度測(cè)試能盡可能使磁感線和地質(zhì)體達(dá)到較好的耦合效果，角度分布如圖5所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與數(shù)據(jù)解譯

4.1 探測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

選擇九綿高速公路天池隧道YK223+135—YK223+035 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。該里程段內(nèi)工程地質(zhì)資料如下：

YK223+135—YK223+101 段內(nèi)表層為含碎石粉質(zhì)黏土約厚0.5 m，下為石灰?guī)r，局部溶蝕嚴(yán)重，巖溶裂隙較發(fā)育，巖體較破碎；局部夾巖溶裂隙帶。隧道圍巖為可溶巖，隧道開(kāi)挖遇溶洞可能性較大，巖溶裂隙水量較豐富，以點(diǎn)滴狀和淋雨?duì)畛鏊疄橹?，局部呈涌流狀，圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

圖4 線圈旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of coil rotation

表1 傳統(tǒng)方法案例Table1 Traditional approach cases

圖5 共軸偶極法角度分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of the angular distribution of the coaxial dipole method

YK223+101—YK223+035 段內(nèi)隧道圍巖為泥灰?guī)r，為軟硬巖互層，軟巖為主，巖體較完整～破碎，中薄層狀結(jié)構(gòu)。巖溶裂隙水量較豐富，以點(diǎn)滴狀和淋雨?duì)畛鏊疄橹?，局部呈涌流狀，圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)為IV級(jí)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工作

現(xiàn)場(chǎng)采用PROTEM CM 收發(fā)一體式瞬變電磁儀，包括直徑0.61 m的接收線圈Rx、邊長(zhǎng)為1 m的正方形發(fā)射線圈Tx、收發(fā)一體式瞬變電磁儀主機(jī)、兩根電纜線，硬件組成見(jiàn)圖6。

圖6 PROTEM CM 瞬變電磁儀Fig.6 PROTEM CM transient electromagnetic instrument

為了將傳統(tǒng)方法和共軸偶極法的預(yù)報(bào)成果進(jìn)行對(duì)比，在測(cè)試段內(nèi)進(jìn)行兩種方法探測(cè)。傳統(tǒng)方法：將發(fā)射線圈緊貼接收線圈，面對(duì)并貼近掌子面以間距為0.5 m的距離從左往右移動(dòng)線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。共軸偶極法：按照設(shè)定角度旋轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)場(chǎng)工作主要步驟如下：（1）將開(kāi)挖臺(tái)車和其它大型器械移動(dòng)到掌子面后方50～100 m的位置，盡量避免金屬對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾。（2）將發(fā)射線圈Tx 放置在掌子面后方10 m 左右的位置，接收線圈Rx盡量靠近掌子面，通過(guò)電纜線將Tx和Rx分別與主機(jī)相連。（3）按照傳統(tǒng)方法和共軸偶極法的操作方式進(jìn)行探測(cè)。

4.3 數(shù)據(jù)處理和解譯

通過(guò)ReaTEM 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Surfer 軟件出圖，得到成果如圖7～8所示，步驟主要如下：

（1）廢道剔除：將與相鄰數(shù)據(jù)差異較大的數(shù)據(jù)和信號(hào)波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)視為干擾，應(yīng)剔除，避免干擾擴(kuò)散至其他測(cè)道。

圖7 YK223+135—YK223+035 傳統(tǒng)方法測(cè)試結(jié)果Fig.7 Traditional method test results of YK223+135—YK223+035

圖8 YK223+135—YK223+035 共軸偶極法測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of coaxial dipole of YK223+135—YK223+035

（2）濾波：手動(dòng)濾波或者軟件自動(dòng)濾波，從而提高信噪比。

（3）視電阻率計(jì)算：對(duì)剔除和濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行視電阻率計(jì)算。

（4）出圖：處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)Surfer 軟件生成視電阻率等值線圖。

傳統(tǒng)方法的成果是一幅視電阻率等值線圖；若不進(jìn)行步驟（1），共軸偶極法的成果是7 幅視電阻率等值線圖，本次測(cè)試數(shù)據(jù)剔除干擾后的成果是豎直角度為上30°、0°和下15°對(duì)應(yīng)的視電阻率等值線圖。

受到掌子面附近鋼拱架等的干擾，掌子面前方約20 m 范圍內(nèi)的信號(hào)不穩(wěn)定，因此舍棄此段內(nèi)的數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證兩種方法的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，隧道開(kāi)挖后，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，隧道開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況如表2所示。從表2中可以看出共軸偶極法預(yù)報(bào)含水不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)方法高，特別是在YK223+115—YK223+045 段內(nèi)，傳統(tǒng)方法探測(cè)結(jié)果是巖體較完整，存在滲、滴水現(xiàn)象；共軸偶極法探測(cè)結(jié)果是存在巖溶裂隙、小股狀流水和存在滲、滴水現(xiàn)象。實(shí)際情況是巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部存在巖溶裂隙，存在多處小股狀流水，局部存在滲、滴水現(xiàn)象，與傳統(tǒng)方法探測(cè)結(jié)果存在顯著差別，與共軸偶極法探測(cè)結(jié)果相符。

表2 解譯與開(kāi)挖驗(yàn)證Table2 Interpretation and excavation verification

5 結(jié)論與建議

（1）瞬變電磁共軸偶極法是將發(fā)射線圈和接收線圈平行放置，二者均位于隧道軸線上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)線圈對(duì)隧道掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行水平和豎直兩個(gè)方向多角度探測(cè)。

（2）瞬變電磁共軸偶極法比傳統(tǒng)方法具有操作簡(jiǎn)單（原地轉(zhuǎn)動(dòng)線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集）、強(qiáng)耦合性（通過(guò)多角度測(cè)試提高了磁場(chǎng)與含水不良地質(zhì)體的耦合性）、準(zhǔn)確度高（本文成功探測(cè)到含水節(jié)理裂隙和巖溶裂隙的位置和出水狀態(tài)）等特點(diǎn)。

（3）對(duì)天池隧道巖溶裂隙含水不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)結(jié)果表明傳統(tǒng)方法存在預(yù)報(bào)不準(zhǔn)的情況，本文改進(jìn)的共軸偶極法預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖情況一致。

（4）瞬變電磁共軸偶極法在現(xiàn)場(chǎng)操作和成果解譯方面比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢(shì)，如果減小線圈每次旋轉(zhuǎn)的角度，增加探測(cè)數(shù)據(jù)的道數(shù)，可能探測(cè)到更詳細(xì)的含水不良地質(zhì)體信息，從而提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。