高損耗電磁波條件下隧道超前探水預測

邵建國，梁珠擎

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

目前國內外用于探水的電磁方法有核磁共振（M RS）[1]、高密度電法[2]、音頻電磁測深（CSAM T）[3]、瞬變電磁（TEM）[4-5]等方法。這些方法主要用于地面條件，很難被移植到隧道中。

CFC復頻電導法是一項利用電磁波進行隧道超前探水預測的技術，之前在巴基斯坦NJ-TBM引水工程、我國新疆某TBM工程和貴州德江隧道進行超前探水預測中均取得了很好的效果。預測結果表明CFC技術預報距離可達到或超過100 m，適合隧道長距離超前探水，特別是TBM施工隧道。由于CFC探水技術主要是利用中頻電磁波，為了進一步探索其適用性，本文選取徐樓鐵礦[6-7]作為此次研究的工區。徐樓鐵礦圍巖含鉀、鈉量極少，氧化鈣、氧化鎂含量較多，礦床類型為矽卡巖礦床，巷道圍巖為含礦巖體，其電導率與介電常數比一般的花崗巖、灰巖及砂巖高得多，對電磁波具有較高的損耗。

1 C FC探水的觀測方式與儀器設備

1.1 數據采集方式

CFC探水是通過發射電磁波、接收電磁波并確定相干頻率來實現的。電磁波的發射與接收都采用偶極子天線，天線做成電極埋設在隧道左右兩側。一組發射，3～5組接收。發射與接收天線排成陣列觀測方式。陣列式接收的目的是提高觀測系統的方向性，使掌子面前方的信號得到加強，側向的信號被削弱。接收的電極越多，成像的方向性越好。電極埋設于圍巖中，并與圍巖緊密接觸，確保傳導電流與位移電流同時起作用，這與傳統的雷達天線不同。陣列式采集有兩種工作方案：一種是大排列方式，另一種是組合方式。大排列方式是采用一對電極A、B發射，多對接收電極M、N組成陣列同時接收；組合方式是一對電極發射，位置不變，另一對電極移動接收，每發射一次，接收電極移動一次。聯合多次發射與接收，組成一個完整陣列。這兩種方式的探測效果相同。數據采集中A、M電極布置在隧道一側，B、N電極布置在另一側，沿隧道排列，如圖1所示。A與B、M 1與N1、M 2與N2、M 3與 N3的間距為 5～10 m，電極長度為1.5～2.0 m。與掌子面保持一定距離，不影響掘進機頭工作。探測時同步記錄發射極電流與接收極電壓。通常采用5對接收電極。

圖1 隧道內CFC觀測系統圖

1.2 發射與接收設備

CFC復頻電導探測使用北京同度工程物探技術有限公司開發的高壓寬頻發射機與電磁波數字記錄器（見圖2）。發射機為脈沖調制寬帶發射，頻帶在100 kH z～20 M H z。最高發射峰值電壓6 kV，發射電流可達120 A。發射與接收電極分布于圍巖中，有效地減小了隧道內各種干擾，提高了信噪比。電磁波數字記錄器為雙通道，采樣率為0.01 μs，動態16位；同步記錄發射電流與接收極電壓。CFC探測儀器硬件系統已完成升級，體積更小，重量更輕，使用更方便。

圖2 CFC發射機與接收機

CFC技術基于中頻電磁波的反射與相干原理，在地質雷達領域，這是一種全新的數據處理技術。在中頻時域記錄中，入射波與反射波在時間上交叉在一起，從走時上難以區分，很難像地質雷達數據處理那樣通過反射波走時來確定反射面位置。CFC針對隧道探測波場的這一特點，建立了頻域相干分析方法。

2 C FC復頻電導探水工程實踐

2.1 徐樓鐵礦工程概況

徐樓鐵礦位于淮北市濉溪縣境內，隸屬徐樓鎮，地質上位于華北地層區。大理巖是礦體的直接頂板，巖溶裂隙發育，含水豐富，導水性較強，探水工作布置在出礦巷道，如圖3所示，探測兩條巷道掌子面前方的含水情況。巷道圍巖為含礦巖體，其電導率與介電常數比一般的花崗巖、灰巖及砂巖高得多，其地質環境對電磁波具有很高的損耗。

2.2 CFC的觀測系統

該次CFC觀測系統的布置如下：

（1）接收電極M、N四組，布置在兩側壁內，同側電極間距16.0 m，埋深1.5 m。

（2）激發電極A、B一組，布置在兩側壁內，距最近接收電極16 m。

圖3 徐樓鐵礦出礦隧道

（4）電極采用海綿耦合，如圖4所示。

圖4 CFC激發與接收方式（單位：m）

2.3 隧道超前探水結果

淮北徐樓鐵礦探水項目包含兩個隧洞，每個隧洞探測100 m。外業工作結束后隨即對當天采集的數據進行分析、整理并檢查和復核，在此基礎上對所采集的數據進行綜合分析、評價。其典型的CFC信號頻譜如圖5所示。

圖5 典型的CFC信號頻譜

CFC數據的處理主要經過記錄選取、數據預處理、觀測系統幾何位置編輯、頻譜分析與歸一化、CFC電磁波速掃描、CFC合成孔徑偏移成像計算等過程。根據能量最大化原理進行圍巖電磁波速掃描和偏移成像。

數據處理后得到徐樓鐵礦-217 10-5和-205 10-6出礦巷掌子面前方100 m內含水結構的CFC偏移圖像。現對兩個隧道的預報結構分述如下。

2.3.1 徐樓鐵礦-217 10-5隧道的探測結果

徐樓鐵礦-217 10-5隧道的探測結果如圖6所示。從偏移圖像可以看出，掌子面前方100 m內的地質情況分為兩段：

第一段：掌子面前方0～30 m，電磁波反射能量較小，不含水。

第二段：掌子面前方30～100 m，反射波能量增強。特別是85～95 m范圍內，電磁波反射的能量最強。速度掃描顯示圍巖電磁波速很低，僅為0.044 m/ns，相對介電常數很大，為46.54左右。這說明該段或者富含水，或者為導電性較好的金屬含礦帶。

預測結果：0～30 m，水量相對較小；30～100 m特別是在85～95 m范圍內圍巖含水量較大或者存在金屬含礦帶。

2.3.2 徐樓鐵礦-205 10-6隧道的探測結果

徐樓鐵礦-205 10-6隧道的探測結果表示在圖7中。結果顯示掌子面前方的100 m地質情況分為兩段：

第一段：0～50 m，電磁波反射能量較小，不含水。

第二段：50～100 m，特別是65 m附近，電磁波反射能量較強。同時該段圍巖電磁波速為0.07 m/ns，相對介電常數為18.4左右，介電常數比較大。

預測結果：0～50 m，水量較小；50～100 m特別是在65 m附近圍巖含水量較大或者為金屬含礦物帶。

徐樓鐵礦的地質資料顯示，徐樓礦區含水層為該水文地質亞區含水層系統的一部分，鐵礦床發育于碳酸鹽巖與巖漿巖體侵入接觸部位，圍巖裂隙巖溶發育，富水性強，與CFC復頻電導測試結果基本一致。

之后在徐樓鐵礦-205 10-6隧道的施工過程中也證實了在掌子面前方65 m左右鉆孔出現涌水，遇到了含水地層。

3 結語

本文以徐樓鐵礦為研究區域，對兩個隧道展開研究。試驗結果表明，在導電率和介電常數都較高的含金屬礦的介質中，CFC仍然可以正常工作。只是在數據處理中要特別注意，含水結構與含金屬礦結構對于CFC來說，具有類似的、較強的電磁反射，僅靠偏移圖像難以將它們進行區分，需要與礦區地質資料進行對比分析。

圖6 徐樓鐵礦-217 10-5隧道CFC偏移圖像

圖7 徐樓鐵礦-205 10-6隧道CFC偏移圖像