水電工程不良地質(zhì)體預(yù)測評價(jià)方法研究

鐘汶均，宋洋，于廣斌，劉小博，王向鵬，劉國棟

（1.中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，成都 610036；2.成都理工大學(xué)，成都 610059；3.四川綿筑新材料有限公司，四川 德陽 610206）

1 引言

大地電磁法是以太陽風(fēng)和雷電信號為場源，通過在地表觀測這些變化的電場和磁場分量來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)[1]。大地電磁場源信號頻率范圍約104～10-4Hz，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，其探測深度可從淺地表至上百千米深。由于具有探測深度大、對構(gòu)造反應(yīng)靈敏、受地形影響小、勘探成本低等諸多優(yōu)勢，大地電磁法在隧道等工程勘察、油氣勘探、固體礦產(chǎn)資源勘查、地?zé)豳Y源調(diào)查、地震預(yù)測和地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

現(xiàn)階段常用的超前預(yù)報(bào)方法主要有以下3 種：地震波反射法（TSP）、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法。在隧道開挖前對地質(zhì)情況的了解對于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用。通過超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，可以為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全，同時(shí)還可節(jié)約大量資金。所以，隧洞超前預(yù)報(bào)對于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)意義[2]。

2 國內(nèi)外研究綜述

大地電磁法盡管已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但其三維反演解釋技術(shù)仍然存在較多問題，制約了該方法在構(gòu)造復(fù)雜、三維性較強(qiáng)的隧道工程勘察中的應(yīng)用效果。

在算法方面，大地電磁法最核心的就是正演和反演2 個(gè)過程。簡單來說，正演就是假設(shè)并建立地下物性模型，再求得該模型響應(yīng)場的分布屬性，反演就是利用觀測到的場信息，采用最優(yōu)化算法多次調(diào)用正演，從而求得與觀測場最匹配的正演響應(yīng)模型。盡管過去許多學(xué)者已開展了大量的相關(guān)研究工作，但總結(jié)目前的研究進(jìn)展來看，仍然主要偏向理論研究，面向?qū)嵱没娜S技術(shù)研究較少，在國內(nèi)還尚未形成具有實(shí)用性的算法和軟件。特別是大地電磁法存在的多解性強(qiáng)、分辨率低、計(jì)算效率低以及沒有成熟的數(shù)據(jù)處理反演軟件等因素，嚴(yán)重制約著這種方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

TSP 技術(shù)的最大特點(diǎn)是資料處理采用了地震偏移成像技術(shù)，直觀性好，操作方便，強(qiáng)弱反射震相都參與成像計(jì)算，適合復(fù)雜地質(zhì)條件，實(shí)用性較好。但目前的TSP 預(yù)報(bào)方法也有不足之處，如對偶合劑材料的選擇要求較高，否則會影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，從而對處理結(jié)果造成影響。

瞬變電磁方法對低阻、導(dǎo)電的薄層反應(yīng)比較靈敏，有利于探測富水?dāng)鄬拥?。市面上的隧道瞬變電磁處理軟件算法是煙圈成像，?yōu)勢是速度快，缺點(diǎn)是異常體的位置不準(zhǔn)及成果的物性值不準(zhǔn)，如圖1 所示，圖1a 異常位置呈現(xiàn)條帶分布，與實(shí)際物性資料相差較大，尤其右側(cè)區(qū)域，呈現(xiàn)相反情況，不能準(zhǔn)確反映真實(shí)地層信息，富水帶范圍基本集中在37～48 m，背景值最小也為37 m，而圖1b 更接近巖體真實(shí)物性值，范圍約10～1 000 V/m。且目前YCS2000-A 礦用瞬變電磁儀激發(fā)、接收裝置采用的是手持裝置，會造成人為誤差，從而對處理結(jié)果精確度大打折扣。

圖1 瞬變電磁處理成果圖

3 大地電磁法

大地電磁法是以太陽風(fēng)和雷電信號為場源，通過在地表觀測這些變化的電場和磁場分量來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)。大地電磁場源信號頻率范圍約104～10-4Hz，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，其探測深度可從淺地表至上百千米深，圖2 為大地電磁法基本原理示意圖。由于具有探測深度大、對構(gòu)造反應(yīng)靈敏、受地形影響小、勘探成本低等諸多優(yōu)勢，大地電磁法在隧道等工程勘察、油氣勘探、固體礦產(chǎn)資源勘查、地?zé)豳Y源調(diào)查、地震預(yù)測和地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖2 大地電磁法基本原理示意圖

對于二維大地電磁勘探，相關(guān)的正反演算法已基本成熟，大量學(xué)者也開展了三維大地電磁相關(guān)技術(shù)研究。盡管過去許多學(xué)者已開展了大量的相關(guān)研究工作，但總結(jié)目前的研究進(jìn)展來看，仍然主要偏向理論研究，面向?qū)嵱没娜S技術(shù)研究較少，在國內(nèi)還尚未形成具有實(shí)用性的算法和軟件。

4 地震波法

TSP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其主要是通過地震波在狀態(tài)不均衡的地質(zhì)體當(dāng)中，形成的反射波特征，針對掌子面前方和相關(guān)臨近地區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)情況加以匯報(bào)。這種方法能夠有效檢測出前方巖性存在的一些變化，如斷層、不規(guī)則體以及破碎帶等。其還能應(yīng)用于通過TBM 或者是鉆爆法來開挖的隧洞，而且不需要和掌子面相靠近。

作為當(dāng)前相對先進(jìn)的現(xiàn)代化探測手段，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利、鐵路等工程中的各種類型的地下洞或者是隧洞工程，例如，大瑞鐵路隧道等相關(guān)工程便運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)，具備預(yù)報(bào)距離較長、資料提交及時(shí)、精度較高等優(yōu)勢，特別是和隧洞軸線進(jìn)行相交的相關(guān)面狀軟弱帶，如破碎帶、斷層以及軟弱夾層等，均呈現(xiàn)出了較為理想的效果。

5 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是一種利用高頻電磁波技術(shù)探測地下物體的電子設(shè)備。在地質(zhì)雷達(dá)工作工程中，由發(fā)射天線向被隧道掌子面前方發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)高頻電磁波傳至巖體內(nèi)2 種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，反射波返回被檢測體的界面，并由地質(zhì)雷達(dá)的接收天線所接收，形成雷達(dá)圖像（見圖3）。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)處理成果圖

因?yàn)榈刭|(zhì)雷達(dá)在進(jìn)行探測時(shí)會采取超高頻電磁波，這樣它的探測能力會高出以一般電磁波為基礎(chǔ)的探測類設(shè)備，因此，通常地質(zhì)雷達(dá)會大范圍運(yùn)用到明確考古深度、探查冰川、礦產(chǎn)勘探以及地下埋設(shè)物、針對公路地基、鋼筋結(jié)構(gòu)等進(jìn)行十分有效地檢測。這種技術(shù)具備以下幾方面優(yōu)勢：效率較高、速度較快、資料提交及時(shí)等，特別是在面狀軟弱帶，如破碎層、斷層、軟弱夾層和地層相關(guān)分界面等呈現(xiàn)出十分理想的效果。

6 瞬變電磁法

瞬變電磁法稱為稱時(shí)間域電磁法，也就是TEM，這種方法是采取接地線源或者不接地回線朝著掌子面的前方進(jìn)行脈沖磁場的一次發(fā)射，在首次脈沖磁場進(jìn)入間歇階段，通過線圈或者接地電極進(jìn)行二次渦流場檢測的方式。從某種角度來講，這種方法的基礎(chǔ)原理為采用電磁感應(yīng)定律。通常情況下衰減過程主要劃分為早期、中期以及晚期。電磁場在早期如同頻率域當(dāng)中的一些高頻成分，一方面衰減快，另一方面具有較小的趨膚深度；晚期便能看作頻率域黨總的低頻成分，一方面衰減慢，另一方面具有較大的趨膚深度。嚴(yán)格測量斷電之后的每一時(shí)間段伴隨時(shí)間出現(xiàn)變化的二次場規(guī)律就能獲得深度不一的地電特征。依據(jù)這種方法針對低阻體較為敏感的特征，近幾年應(yīng)用于隧道的超前預(yù)報(bào)。其屬于發(fā)展前景十分廣闊的方法，能夠進(jìn)行含水地質(zhì)的查明（見圖4），如煤礦采空區(qū)等。該方法在將探測深度提升與在高阻區(qū)域探尋低阻地質(zhì)體屬于一種靈敏性極高的方法，不會受到地形因素影響，和探測目標(biāo)形成最優(yōu)耦合，不僅擁有較強(qiáng)的異常響應(yīng)而且形態(tài)簡單。

7 展望

借助大地電磁法所探測出來的成果，可以通過單點(diǎn)電測深等相關(guān)二維成果加以有效展示，這說明一般的二維處理方式能夠?qū)崿F(xiàn)精確的地層劃分，而且清晰直觀地呈現(xiàn)測線上的電阻率實(shí)際分布情況。但是，實(shí)際上成果僅可以進(jìn)行定性分考，無法明確異常體的實(shí)際走向等。若能夠通過三維技術(shù)針對成果實(shí)現(xiàn)三維展示，一方面能夠清楚體現(xiàn)異常體位置等相關(guān)信息，而且地質(zhì)判斷會有更高的精度；另一方面，通過三維可視化展示能夠?qū)崿F(xiàn)在空間范圍內(nèi)的有效延拓，對于成果信息是一種極大的豐富。

圖4 利用瞬變電磁法探明的富水區(qū)域成果圖

8 結(jié)論

通過本文的研究，得出以下結(jié)論：

1）目前，電磁法主要還是以二維為主，急切需要快速、穩(wěn)定、高分辨率的大地電磁三維反演算法；

2）需研發(fā)智能化地質(zhì)雷達(dá)圖像識別軟件，擺脫或降低對人工經(jīng)驗(yàn)的依賴，克服人工解釋的主觀性和低效率，大幅度提升數(shù)據(jù)分析解釋的客觀性、可靠性、適應(yīng)性和工作效率；

3）為提高勘探精度，需要在硬件上開發(fā)適用于隧道施工且穩(wěn)定的瞬變電磁線圈框架設(shè)計(jì)；

4）對富水性不良地質(zhì)體還需開發(fā)快速可靠定位的隧道瞬變電磁數(shù)據(jù)處理解釋軟件。