瞬變電磁法在引水隧洞超前預報中的應用

湯金云TANG Jin-yun；田樹斌TIAN Shu-bin

（中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣州 510610）

0 引言

“十三五”以來，為增強水旱災害防御和供水灌溉保障能力，以150 項重大水利工程為代表的國家水網(wǎng)骨干工程建設持續(xù)提速，跨流域、跨區(qū)域引調水工程陸續(xù)開工建設。我國的地形地貌特點決定，深埋長隧洞是長距離引調水工程的重點和難點，對水利工程施工階段超前地質超前預報工作造成了巨大難題。

水利工程長距離隧洞跨度、埋深大，工程地質條件復雜，涌（突）水問題是常見地質災查明隧道掌子面前方富水異常體的空間分布，為隧洞掘進工作保駕護航，可有效預防隧洞施工涌（突）水事故的發(fā)生，減輕生命和財產損失。

在超前預報工作中，由于工作機理、作業(yè)環(huán)境等客觀條件的制約，一些物探、鉆探等地質方法的應用受到很大限制，如超前地質鉆探有“一孔之見”，很難對前方地質體做出客觀、全面的評價；TSP 等地震技術對斷層及溶蝕破碎帶預報較準確，對富水低阻異常體則反應不明顯等。這需要相關技術人員根據(jù)物探方法機理，合理選用探測手段。

瞬變電磁探測技術具有探測深度靈活可控、抗噪聲能力強、目標體分辨力高、現(xiàn)場作業(yè)效率高、無需地形校正等特點,被廣泛應用于水利、公路、鐵路等行業(yè)的災害水防治工作。瞬變電磁探測技術對地下低阻異常體具有較強的響應能力，適用于掌子面前方富水異常體的探測。

1 基本原理及技術特點

瞬變電磁法亦稱為時間域瞬變電磁法，英文全稱為Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM。瞬變電磁探測原理（以重疊回線為例）就是由主機向發(fā)射回線提供電流脈沖信號，并利用波形衰減變化產生向目標體傳播的磁場。地下目標體接受到磁場激勵后將會產生渦流變化，由于渦流而隨時間衰減，衰減過程一般分為早，中和晚期。早期的電磁場信號相當于頻率域的高頻部分，衰減較快。一般地質體導電性越好，則二次渦流場越強。當主機關斷后，一次場即消失，地下目標體產生的二次場則反射回來，被接收回線探測到。通過對二次場信號變化的持續(xù)接收和分析，就可以得到地下目標體的地電信息。

瞬變電磁探測就是利用回線裝置向地下目標體發(fā)射脈沖電磁信號，通過關斷裝置控制一次場的發(fā)射間隙，并同時利用接收裝置觀測反射二次渦流的探測方法。通過觀測關斷后各個時間序列的二次渦流場的變化特征，經過時深轉換計算，就可以得到地下目標體不同深度的地質信號特性，圖1 為瞬變電磁法半空間中的等效渦流環(huán)示意圖。

圖1 瞬變電磁法半空間中的等效渦流環(huán)示意圖

瞬變電磁探測技術是通過關斷裝置的控制，觀測純二次渦流場，剔除一次場的干擾和影響，發(fā)射脈沖中心頻率可根據(jù)探測目標體的空間信息進行選擇，其基本原理是不同頻率的電磁波在地質體中傳播的速度是不同的，相應的其探測深度亦不相同，即通過時間序列的選擇調整探測深度，這就是時深轉換的理論基礎，時間和空間的嚴格對應，大大提高了瞬變電磁探測技術處理效率；另一顯著特點就是瞬變電磁探測可以做到收發(fā)一體，受地形旁側影響小，目標體的耦合效果好，異常反應明顯，不足之處在于探測深度與裝置等效面積相關，受場地大小影響較大，而多匝小回線重疊裝置的發(fā)射回線自感及互感大，導致淺層二次場信號被淹沒，存在一定的探測盲區(qū)。

2 超前預報TEM 探測技術

2.1 現(xiàn)場工作技術

瞬變電磁探測現(xiàn)場工作技術主要分為兩個方面：即裝置選擇和測線設計。

在特定的作業(yè)環(huán)境中，從瞬變電磁眾多裝置類型中選擇合適的方案，有著很多制約條件。制約條件按類型區(qū)分為探測目標體物理特性和外部作業(yè)環(huán)境兩大類，如目標體地電特性、地形條件、噪聲環(huán)境等。探測目標的物理參數(shù)如空間分布、大小、埋深、電導率則決定了回線裝置邊長大小、匝數(shù)、供電電壓、時間序列等主要探測參數(shù)的選擇。裝置選擇的指導思想就是盡量提高接收信號的信噪比，壓制天電、工頻干擾等各種電磁干擾信號對二次場的影響，保證信號質量滿足探測要求。

瞬變電磁探測的回線裝置可分為發(fā)射和接收兩個部分，可分體布置，也可收發(fā)一體。受隧洞掌子面現(xiàn)場條件制約，隧洞地質超前探測一般優(yōu)先選用多匝小回線重疊裝置（如圖2（a）），其主要優(yōu)點是現(xiàn)場作業(yè)便捷、探測目標體耦合好；缺點是發(fā)射回線感應信號對接收回線造成一定影響，導致早期信號丟失，造成探測盲區(qū)。

超前探測測點布置在隧洞掌子面（如圖2（b）），即從隧洞掌子面一側開始，測點數(shù)量、位置及探測角度根據(jù)隧洞現(xiàn)場條件進行布置，每個測點可設置多個探測方向，即使天線的法線方向與隧洞掌子面分別成上傾，直立和下傾的多夾角，對掌子面頂板、水平層和底板進行探測，即在多個角度采集數(shù)據(jù)，從而獲得盡可能完整的前方空間信息，故稱之為扇形探測技術。

圖2 超前探測裝置示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理技術

瞬變電磁處理與解釋軟件是筆者根據(jù)自行編制一款電磁數(shù)據(jù)處理與解釋軟件（如圖3（a））。系統(tǒng)能讀取和處理國內外常用瞬變電磁數(shù)據(jù)格式，處理與解釋人機界面效果好、效率高，主要功能由工區(qū)數(shù)據(jù)管理、人文噪聲校正、數(shù)字濾波、成果圖件繪制和三維可視化解釋等，可根據(jù)需要，分區(qū)或批量處理瞬變電磁數(shù)據(jù)。

圖3 瞬變電磁處理與解釋系統(tǒng)示意圖

圖4 為瞬變電磁超前探測數(shù)據(jù)處理成果示意圖。利用筆者編制的處理解釋軟件，調用數(shù)據(jù)提取、視電阻率計算、時深轉換、超前探測坐標轉換等子模塊并結合Surfer 繪圖軟件，即可快速便捷地處理和解釋瞬變電磁超前探測數(shù)據(jù)。

圖4 瞬變電磁數(shù)據(jù)處理成果示意圖

3 工程實例

某水工引水隧洞工程位于貴州省南部部地區(qū)，是中型水庫樞紐工程二期灌區(qū)部分重要節(jié)點。引水隧洞全長2.67km，開挖洞徑4.5m，全部采用鉆爆法施工。根據(jù)工程地質及施工安全控制要求，需對掌子面前端巖層裂隙的富水性進行探測。

本次水工隧洞掌子面瞬變電磁超前探測使用的儀器為澳大利亞產瞬變電磁儀。根據(jù)相關軟件正演模擬和現(xiàn)場測試，確定回線大小和匝數(shù)、關斷時間類型、時間序列、發(fā)射頻率、疊加次數(shù)和增益等采集參數(shù)，選擇邊長為2m×2m的重疊回線裝置（發(fā)射回線20 匝，接收回線40 匝），時間序列為Long Time Series，關斷時間和發(fā)射頻率為儀器固化且自動設置，疊加次數(shù)為128 次，采樣間隔為1.0m。探測方向（回線法線與探測地層夾角）選取上傾45°水平順層、下傾45°，采用用全站儀進行輔助測點定位。

圖5 為隧洞0+465 位置瞬變電磁超前探測水平順層測線解釋成果圖。測線沿掌子面及兩側進行布置，結合上傾45°測線 及下傾45°測線可見，掌子面（0+465）迎頭100m范圍內呈閉視電阻率等值線無明顯異常變化，可推測在隧洞掌子面（0+465）迎頭前方100m 范圍內沒有富水區(qū)域，后經超前鉆孔驗證亦無富水異常構造。

圖5 瞬變電磁超前探測水平順層測線解釋成果圖

通過瞬變電磁超前探測和鉆孔驗證相結合的連續(xù)滾動觀測方式，可有效地查明掌子面前端的富水異常區(qū)域，為引水隧洞施工安全提供有效地數(shù)據(jù)支撐。本次瞬變電磁法數(shù)據(jù)成果與部分鉆孔資料對比，可見：瞬變電磁法能有效地探測富水異常等不良地質的存在，但由于理論的時深轉換計算基于地面半空間電磁理論，導致實際解釋的異常深度誤差較大；異常體本身的低阻屏蔽效應，使得解釋富水異常的大小存在一定的困難。

本次瞬變電磁超前探測滿足工程安全施工要求，為地質預報提供了直觀、準確的數(shù)據(jù)，為隧洞安全施工提供有效保障。實踐表明，通過分析對比隧洞的工程地質特性與瞬變電磁數(shù)據(jù)成果，合理布局，能高效、準確地探明引水隧洞掌子面前端富水異常分布情況。

4 小結

通過上述探測實踐表明，在合適的勘探深度下，利用瞬變電磁法對富水異常反映能力較強的特點，應用瞬變電磁法對突（涌）水等不良工程地質異常進行探測和評價，結合已知地質和鉆探資料，可大大提高數(shù)據(jù)解釋成果的準確性，是地質超前預報的有效手段。