瞬變電磁法在隧洞富水性超前探測中的應用★

王紅英 崔蓬勃

(江蘇建筑職業技術學院能源與交通工程學院，江蘇 徐州 221116)

1 工程概況

21世紀以來，隨著我國西部大開發的快速推進，許多西部地區基礎設施和能源電站建設迅速崛起。但西部地區地質構造復雜，給工程順利施工帶來了較大的難度，甚至引發了一系列工程事故[1,2]。為避免開挖施工過程中因地質缺陷引起的塌方和透水事故，公路隧道設計規范明確規定：工程地質施工過程中遇到不良地質應堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，采取“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施[3]。其中“先探后掘”中的探即巷道掘進過程中在迎頭利用直接或間接的方法向前一定范圍內進行超前探測，查明前方及其采動影響范圍內是否存在賦含水地質構造、導含水通道、巖溶空洞等，為工程順利安全施工提供依據。

國內外工程師和學者采取了一系列方法對隧道前方圍巖的不良地質進行探測，第一種是地球物理探測方法：主要是采用地震波[4]、電磁波[5,6]、電法等[7-11]方法對掌子面前方圍巖的斷層和富水性進行探測，如TSP、地質雷達、瞬變電磁等。第二種是采用鉆孔方法進行勘探，但該方法僅對鉆孔范圍有效，尤其是開挖斷面較大時無法綜合判斷掌子面前方圍巖的實際情況，且費時費力效率較低。為滿足工程快速施工的要求，一般多采用地球物理勘探的方法進行預探測，對于存在潛在不良地質缺陷的圍巖采用多種方法進行綜合探測以確定其不良地質類型[11]。對于富水隧洞而言，瞬變電磁法具有較好的分辨率和靈敏度[12,13]，在許多工程中均取得良好的探測效果。

新疆克州蓋孜水電站是克州蓋孜河中游河段梯級水電開發項目的第二梯級水電站，其發電引水隧洞施工至K0+520里程時，底板出現涌水現象，大大增加了施工難度，且隨著掌子面推進出水點從底板逐漸升至拱頂位置，在一年左右的泄水期內，隧洞涌水量并無明顯減小，涌水量達1 300 m3/h(掌子面地質及涌水情況如圖1所示)。為此，針對該隧洞K0+520里程前方圍巖涌水通道及富水情況進行超前探測。

2 探測原理和方法

瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征。由于瞬變電磁法對低阻體反應敏感，其主要用于探查礦產賦存情況、富水巖溶洞穴與通道、富水采空區及深部不規則水體等低阻區發育情況。

瞬變電磁法優點如下：1)斷電后觀測純二次場，可進行近區觀測，減少旁側影響，增強電性分辨能力；2)可用加大功率的方法增強二次場信號，提高信噪比從而增加勘探深度；3)穿透高阻層能力強；4)由于采用人工源方法，隨機干擾影響小；5)采用重疊回線裝置工作，可以避免地形影響；6)線圈形狀方位要求相對不嚴格，測地工作簡單，工效高；7)由于測磁場，受靜態位移的影響小；8)通過多次脈沖激發，場的重復觀測疊加和空間域多次覆蓋技術的應用，可以提高信噪比和觀測精度。

瞬變電磁探測在隧洞掘進工作面進行，掌子面前方180°平面內進行探測。由于本次探測隧洞圍巖充水較多，為保證測試數據的有效性，需有一定的防水空間，避免大量淋水致使的線圈短路問題。另外由于接收線圈在早期信號中受到自感效應的影響，存在一定的探測盲區，一般為10 m～50 m距離(隨巖層電阻率及現場條件變化)，但可以通過前后兩次探測范圍疊加避免。

3 探測分析

3.1 測線布置

根據現場地質條件和開挖施工技術要求，需要了解掌子面前方涌水通道所處的方位，尤其是需探明涌水通道是否會從拱頂轉移至隧底，以做好超前注漿止水和隧洞結構形式調整的前提必要。鑒于此，在K0+520里程隧洞掌子面布置三條順瞬變電磁測線，分別探測底板、頂板和順層方向巖體富水情況，測線布置如圖2所示，借此來探測富水點在掌子面前方的方位，從而推斷涌水通道的走向和大致位置。

3.2 探測結果

圖3為K0+520掌子面沿底板、順層和頂板三個方向探測的視電阻率等值線圖。對三個方向的視電阻率等值線圖進行整體分析可知：

1)在隧洞掌子面左前方探測范圍內視電阻率等值線變化相對較為均勻，無明顯低阻擾動異常，且左側視電阻率值相對較高，表明隧洞掌子面左前方頂底板、順層方向地層連續性較好，無明顯富含水地質構造異常區存在。

2)在巷道迎頭右前方對應的視電阻率值整體相對偏小，且掌子面前方偏右方向頂板、順層和底板三個方向視電阻率均相對低阻異常(正前方45 m～70 m、右側5 m～25 m)，呈閉口狀極小值，該異常區在三個探測方向對應的等值線圖中均有明顯反映。根據現場施工記錄情況，推斷對應范圍內裂隙較為發育，且被低阻介質充填、富水可能性大。

3)隧洞掌子面前方40 m～70 m、中心偏左25 m～50 m范圍亦呈現閉口低阻異常區2，但視電阻率較異常區1高，富水可能性較異常區1差，根據底板及順層發育位置判斷呈現遠離隧洞趨勢。

4)從掌子面頂板、順層和底板右側圍巖的視電阻率反映來看，從頂板到底板圍巖視電阻率有減小的趨勢，分別為10 Ω·m,9 Ω·m和5 Ω·m，且低阻區極值點從拱頂到隧底越來越遠，極值點距測點分別為70 m,60 m和55 m，一定程度上表明涌水通道在掌子面前方從拱頂降至了隧底。

3.3 開挖驗證

探測結果表明，隧道掌子面前方圍巖富水可能性較大，在開挖過程中涌水量可能較大；但隨著掘進的深入，在掌子面前方50 m～65 m左右位置，出水點會轉移至隧道底部；隨著隧道掌子面掘進，出水點從拱頂轉移至隧底的可能性較大，出水點在掌子面中部靠右位置。

現場開挖情況表明，隨著掌子面開挖的推進出水點從掌子面拱頂位置逐步向下轉移，整體涌水量略有增加，其涌水主要是從隧道底部向上涌水，出水點在隧道右側底部。

4 結語

通過現場探測可以看出，瞬變電磁探測法能夠對掌子面前方50 m～80 m范圍地質富水情況進行較為詳細的探測，其探測深度較普通的電磁波法大，且現場探測過程相對簡單，不影響施工進度，能夠適應工程現場快速、便利探測要求，尤其是對于開挖斷面較小的地下硐室而言，其適用性更強，這是其他測試技術無法滿足的。該方法可對掌子面前方多角度、多方向圍巖富水情況進行探測，且可通過算法改進生成三維結果，便于掌握掌子面空間富水區域位置，對于有效探測隧道圍巖富水裂隙、巖溶和陷落柱等地質災害，為工程順利、安全施工提供技術保障，在重大地下工程中具有廣闊的應用前景。

[1] 鄔 立，萬軍偉，陳 剛，等.宜萬鐵路野三關隧道“8.5”突水事故成因分析[J].中國巖溶,2009,28(2):212-218.

[2] 孫 鈞.海底隧道工程設計施工若干關鍵技術的商榷[J].巖石力學與工程學報,2006,25(8):1513-1521.

[3] JTG D70—2004,公路隧道設計規范[S].

[4] 李維宏.TSP超前預報在新萬山寺隧道涌水災害防治中的應用[J].鐵道建筑,2010(2):27-30.

[5] 吳 俊，毛海和，應 松，等.地質雷達在公路隧道短期地質超前預報中的應用[J].巖土力學，2003(S1):154-157.

[6] 宋宏偉，王 闖，賈穎絢.用地質雷達測試圍巖松動圈的原理與實踐[J].中國礦業大學學報，2002，31(4):370-373.

[7] 段 錚，李天斌，李育樞，等.瞬變電磁法超前地質預報技術在銅鑼山隧道中的應用[J].現代隧道技術，2008(2): 58-62.

[8] 武軍杰.瞬變電磁新技術在隧道超前地質預報中的應用研究[D].西安：長安大學,2005.

[9] 李 貅，武軍杰，曹大明，等.一種隧道水體不良地質體超前地質預報方法——瞬變電磁法[J].工程勘察,2006(3):70-75.

[10] 趙思為.瞬變電磁法在西南喀斯特地區充水型溶洞淺層勘察中的應用[J].鐵道勘察,2017,43(5):102-105.

[11] 薛翊國，李術才，蘇茂鑫，等.青島膠州灣海底隧道含水斷層綜合超前預報實踐[J].巖石力學與工程學報,2009,28(10):2081-2087.

[12] 蘇茂鑫，李術才，薛翊國，等.隧道地質預報中的瞬變電磁視縱向電導解釋方法研究[J].巖土工程學報,2010,32(11):1722-1726.

[13] 李 貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社,2002.