瞬變電磁法探測花崗巖蝕變囊狀水體應用研究

汪文強

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著我國鐵路建設在西南地區的快速推進，隧道開挖過程中遇到花崗巖蝕變造成的涌水突泥情況越來越普遍[1]，不僅影響施工進度，甚至還會造成重大的安全事故。花崗巖蝕變[2-3]發育極其不規律，施工前的物探和工程地質勘察很難將地下花崗巖蝕變體的分布勘察清楚。因此，為保障施工進度和施工安全，需開展花崗巖蝕變段地下水超前預報研究。

瞬變電磁法是一種時間域電磁法，近年來，作為一種有效的水體探測手段被廣泛應用到隧道超前地質預報中，取得了良好的應用效果。本文結合西南山區鐵路隧道特點[4]，用超前地質預報技術解決鐵路隧道花崗巖蝕變帶囊狀水體分布問題[5]，在實踐中證明了瞬變電磁法在宏觀控制上的有效性，為隧道安全施工提供安全保障。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法(Time domain electromagnetic methods)，簡稱TEM。其原理為：首先通過不接地回線或接地長導線供以雙極性脈沖電流，當回線中的穩定電流突然切斷后，發射回線中電流突變在其周圍產生一次磁場。一次磁場在周圍傳播過程中，如遇地下導電良好的地質體，將在其內部激發產生感應電流(又稱渦流或二次電流)。由于導電地質體是非線性的，渦流并不立即消失，有一個瞬變過程，這個過程的快慢與導體的電性參數(體積規模和埋深以及發射電流的形態和頻率)有關，地質體導電性愈好，渦流的熱耗損愈小，瞬變過程愈長。這種渦流瞬變過程，在空間形成相應的瞬變磁場(二次磁場)。通過分析測量二次磁場空間分布形態，即可發現地下異常地質體的存在，并確定異常體的電性結構和空間分布形態[6]。瞬變電磁法工作原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

瞬變電磁場高頻部分主要集中在掌子面和邊墻淺表附近，較低頻的部分則可傳播到隧道深處，且分布范圍會逐漸擴大。根據目前采用的多匝小回線裝置視電阻率的計算方式，大多沿用通用的早、晚期視電阻率的換算公式，其中晚期視電阻率仍采用經典的半空間均勻晚期計算公式：

ρτ=

10-12(SN)2/3(sn)2/3(V/I)-2/3t-5/3

(1)

式中：ρτ——視電阻率；

μ0——真空中的磁導率；

S——單匝發射回線面積(m2)；

S——單匝接收回線面積(m2)；

N——發射接收線圈匝數；

n——接收線圈匝數；

V——感應電動勢；

I——電流；

V/I——接收的歸一化二次感應電場值；

T——二次場衰減觀測時間(s)；

C——近似系數，為經驗值[7]。

測道計算深度hi為：

(2)

則可得出測道的深度Hi為：

(3)

式中：k——擴散速度數學模型轉換系數；

ti-1——前一測道時間；

hi-1——前一測道計算深度；

ti——本測道時間；

ρi——晚期視電阻率[7]。

2 花崗巖蝕變囊狀水體形成機理

花崗巖蝕變現象是指花崗巖在晚期地殼地質構造作用下，侵入既有巖層后再經地下熱液蝕變作用形成新的巖體，該蝕變體具有強度低、易風化、遇水軟弱破碎的特點。在構造地質作用下，花崗巖將地下水或后期沿裂隙匯集的地下水包裹圈閉，形成囊狀水體。

花崗巖蝕變地層若遇富水構造時，隧道開挖過程中將面臨圍巖易軟化受損、受裂隙水沖刷等問題，原有圍巖力學性質發生改變，圍巖穩定性顯著降低。若對蝕變巖體特性認識不足，且未探明掌子面前方富水囊體分布的情況下，盲目開挖，易導致塌方、突泥涌水等安全事故。

瞬變電磁法對于低阻體(水體)具有極高的敏感度，可有效探測花崗巖囊狀水體。因此，在花崗巖蝕變帶運用瞬變電磁法探測囊狀水體具備可行性。

3 工程實例

3.1 工作區地質概況

西南某鐵路隧道在施工過程中局部揭示蝕變體、俘虜體及熔巖管道，隧道所處區域花崗巖蝕變嚴重，差異分化不均，地下水呈囊狀發育且無規律。該隧道在施工過程中發生涌水，涌水前掌子面巖性為灰色塊狀黑云母花崗巖，巖質堅硬，右側及中下部巖體較完整，左上側巖體蝕變嚴重，巖體較破碎，蝕變巖體呈砂狀，遇水易軟化。

某隧道縱斷面示意如圖2所示。從圖2可以看出，該隧道無法預見花崗蝕變段落，施工具有盲目性。超前鉆孔[8-9]無法在花崗巖蝕變復雜的隧道內準確探明前方富水巖體，造成實際開挖出水量和鉆孔揭示水量差異巨大。傳統的地震波反射法和地質雷達對水體方位預報準確性不足，因此，需尋求更有效的物探方法，提高花崗巖蝕變區無規律分布水體預報的準確性。瞬變電磁法對低阻體(水體)具有極高的敏感性，可準確探測囊狀水體的分布情況。

圖2 某隧道縱斷面示意圖

3.2 干擾識別及工作優化

3.2.1干擾識別

瞬變電磁法是對二次場進行連續取樣，受多種噪聲干擾，主要為瞬變電磁儀器自身的干擾和外部電磁噪聲的干擾。其中外部電磁噪聲干擾主要分為地磁場的微脈動、天然電磁場噪聲和人文噪聲[10-12]。本文將主要探討人文噪聲。

在隧道開挖過程中，人文噪聲主要包括電力電網、邊墻鋼拱架、掌子面超前導管、錨桿、施工開挖臺架以及各類機械設備等的噪聲。在進行瞬變電磁法數據采集時，無法徹底消除以上干擾，所以需要對瞬變電磁法的測線布置、角度選取進行適當優化，從而降低人文噪聲對數據結果的影響。

3.2.2工作優化

在進行瞬變電磁法數據采集前，需采取以下措施降低人文噪聲對數據干擾：(1)施工臺架與掌子面的距離大于30 m；(2)保持瞬變電磁數據采集時地面無明顯積水；(3)斷開各類非必要設備電源；(4)數據采集過程中，關閉各類通訊設備電源(對講機、手機等)；(5)減小瞬變電磁探測角度范圍，以降低兩側鋼拱架對數據的影響。

為分析采取以上措施后瞬變電磁數據的采集效果，對同一掌子面在采取降噪措施和未采取降噪措施兩種情況下進行兩次瞬變電磁法。兩次瞬變電磁視電阻率剖面如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，未采取降噪措施(角度未優化)的結果受兩側鋼拱架影響非常大，直接影響了電磁場的衰減路徑，形成典型的“雙側低阻”現象，掌子面前方低阻信息被掩蓋，無法提取識別；而采取了降噪措施(角度優化)的結果受兩側鋼拱架影響較小，電磁波衰減路徑正常，前方低阻信息得以提取保留。因此，采取角度優化及降噪措施能夠在一定程度上提高瞬變電磁法數據的采集質量。

圖3 未采取降噪措施的瞬變電磁法電阻率剖面圖(角度未優化)

圖4 采取降噪措施的瞬變電磁法電阻率剖面圖(角度優化)

采取上述降噪措施，對隧道進行瞬變電磁法水體探測，測線布置如下：在靠近掌子面處布置一個扇形剖面，扇形角度為120°(起始角度為30°，終止角度為150°)，可有效減少兩側鋼拱架影響。由于蝕變囊體發育不規律，本次在掌子面多個角度進行探測。布置參數及方式如表1、圖5和圖6所示。

表1 測線布置參數表

圖5 測線布置俯視圖(單剖面)

圖6 測線剖面縱斷面圖(共5條剖面)

3.3 成果分析

該隧道突然發生涌水后，對前方90 m范圍的花崗巖蝕變帶內水體分布進行探測。瞬變電磁超前預報成果如圖7所示，對結果判釋如表2所示，掌子面前方存在明顯低阻異常，集中在掌子面前方30～75 m范圍，且存在多處圈閉低阻區域，分布無明顯規律，判釋前方存在多處花崗巖蝕變形成的囊狀富水體，各富水體之間通過熔巖裂隙管道相連，建議調整鉆孔參數，驗證并排水。

圖7 瞬變電磁超前預報成果圖

表2 瞬變電磁各剖面結果判釋表

3.4 鉆孔驗證

根據瞬變電磁探測結果，在掌子面布置5個超前鉆孔，鉆孔孔位布置如圖8所示，鉆孔參數如表3所示。

圖8 鉆孔孔位布置示意圖

表3 鉆孔參數表

1號孔鉆進20 m時，水量突然變大，出現較大壓力涌水；2號孔鉆進至45 m時，水量突然變大，出現較大壓力涌水；5號孔鉆進至25 m時，水量突然變大，出現較大壓力涌水；3號和4號鉆孔鉆進揭示水量較小。超前鉆孔鉆進過程中揭示掌子面前方均含水，且1號、2號、5號鉆孔鉆進時出現水量、水壓增大現象，推斷該位置存在囊狀水體，水壓較大。鉆孔探測結果與瞬變電磁測試結果一致，驗證了瞬變電磁對于水體探測具有一定的準確性和適用性。

4 結束語

瞬變電磁法在該鐵路隧道花崗巖蝕變帶探水中起到了明顯的作用，得到了廣泛推廣應用，逐步形成了“瞬變電磁法判斷水體分布，鉆孔驗證”的預報方式。在后續施工開挖過程中，準確預報了花崗巖蝕變帶水體分布情況，降低了施工安全風險。得出以下主要結論：

(1)瞬變電磁法對水體探測比較敏感，能有效地預報水體分布情況，在隧道超前探水有廣闊的應用前景。

(2)隧道施工現場對瞬變電磁法的干擾較大，優化測線布置可有效地降低兩側鋼拱架、格柵拱架等對數據采集的影響程度。

(3)對鐵路隧道復雜的超前地質預報難題，應結合多種物探方法，綜合判釋，達到準確預報的目的。