傳統瞬變電磁法的改進及其在隧道超前地質預報中的應用

伍小剛，李天斌，張 中，薛德敏

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

道路交通工程建設中經常需要修建隧道，隧道工程具有隱蔽性，隧址區可能存在含水不良地質體，隧道開挖遇到含水不良地質體時若防治措施不到位容易引發嚴重的地質災害，可能造成巨大的經濟損失甚至危及人身安全。因此查明隧址區含水不良地質體的發育情況，及時采取防治措施可有效避免人身傷害，減小經濟損失。隧道施工前的勘察資料一般是對隧址區和沿隧道軸線的宏觀地質條件進行描述，無法查明含水不良地質體的分布特征和賦水特征。因此，開展超前地質預報工作對含水不良地質體的探測具有重要意義，對含水不良地質體的成功預報能科學指導隧道安全施工，為工程建設保駕護航。

瞬變電磁法是地質勘探物探法之一。1978年加拿大Geonics 公司開始研發瞬變電磁儀（PROTEM），通過激發磁場對地質體充電使之產生渦流，渦流激發的二次磁場被接收，以此獲得地質信息。我國從20世紀70年代初開始研究瞬變電磁法，之后逐步將其應用于工程實踐。瞬變電磁法對地下水具有較強的敏感度，常用于勘探地下水源、巖溶發育區、含水節理裂隙發育帶等[1-4]。目前瞬變電磁法在隧道超前地質預報中已取得一定成果，李貅等[5]通過對長凼子隧道進行探測，證明了瞬變電磁法對低阻含水斷層、充泥充水溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質體反應靈敏。段錚等[6-8]在銅羅山隧道、明月山隧道和紫平鋪隧道進行瞬變電磁法解譯研究，初步建立了一套瞬變電磁法圖件解譯標志。譚代明等[9]為探明滬蓉高速公路某隧址區斷層中地下水發育情況，用瞬變電磁法進行超前地質預報，發現了較大范圍的低阻異常區；接近異常區時，進行鉆孔驗證，最大涌水量達116 m3/h。余東俊等[10-11]總結了瞬變電磁法的常見干擾因素，并建立了圖件解譯的一般規則。Li Shucai 等[12]、沈曉鈞等[13]在滬蓉西高速公路、錦屏二級水電站和膠州灣海底隧道的超前地質預報工作中總結出探地雷達法和瞬變電磁法相結合可準確預測地下水的經驗。孟陸波等[14]在華鎣山公路隧道超前地質預報工作中揭示了溶蝕裂隙區域視電阻率等值線存在局部閉合的規律。秦浩靖等[15]準確預報出平陽隧道的含水裂隙發育帶，指導安全施工。

以上成果可為隧道工程建設提供寶貴的經驗，但這些成果均是采用沿單測線進行測試的傳統瞬變電磁法取得的，傳統瞬變電磁法不注重觀測裝置和地質體之間的耦合性，易出現弱耦合或零耦合現象，易導致預報不準或漏報。葉展榮[16]對掌子面前方地質情況按照傳統方法測試，在掌子面邊墻處以15°為角度間隔水平轉動線圈，將探測方向從平行隧道軸線的方向逐步轉向垂直隧道軸線的方向，增加了對隧道兩側地質情況的探測，對提高預報準確性有一定幫助，對以轉動觀測裝置進行探測的方式有一定啟發，但仍只在水平方向進行多角度測試，豎直方向角度沒有變化。

共軸偶極法通過轉動裝置從豎直和水平兩個方向進行多角度探測，與傳統方法相比耦合效果更好；多個角度的探測結果相互印證具有比傳統方法更高的準確性。本文采用傳統方法和瞬變電磁共軸偶極法對天池隧道同一里程段的含水不良地質體進行測試，開挖結果證明共軸偶極法對含水不良地質體的預報準確性比傳統方法要高。

1 工程概況

1.1 工程背景

九綿高速公路全長212 km，預算總投資約400億人民幣，計劃工期為6年，預計2021年年底正式通車。九綿高速公路起于四川省綿陽市游仙區東林鎮張家坪，途經綿陽市、江油市、北川縣、平武縣、九寨溝縣，止于九寨溝縣城南，是連接綿陽和九寨溝的交通要道，隧道占比大，沿線脆弱的生態環境和復雜的地質條件使隧道施工面臨嚴峻考驗。

1.2 工程地質概況

九綿高速公路天池隧道隧址區跨越江油市太平鎮邊界溝村及天池村，左線起止里程范圍為ZK223+305—ZK222+403，共902 m；右線起止里程范圍為YK223+295—YK222+401，共894 m。隧址區屬于山區，地質情況復雜，豐富的年降水量為隧址區地下水提供補給，巖溶發育，可能存在兩處斷層破碎帶，隧道開挖易出現涌水、突泥、塌方等地質災害。

2 瞬變電法原理

2.1 基本原理

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM）是利用不接地回線或接地電極向地下發送脈沖式一次電磁場，一次電磁場衰減使地質體中產生渦流，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的渦流衰減產生的二次電磁場的空間和時間分布，從而解決有關地質問題的時間域電磁法。其原理見圖1，圖中Tx為接收線圈，Rx為發射線圈。

圖1 瞬變電磁法原理Fig.1 Principle of transient electromagnetic method

隧道四周都是圍巖，這種環境適合運用讓整個空間都為瞬變電磁作出響應的全空間瞬變電磁法，全空間瞬變電磁法早期和晚期視電阻率（ρT）的計算公式如下：

式中：C—全空間響應系數；

S—發射線圈等效面積/m2；

s—接收線圈等效面積/m2；

U—接收的歸一化二次場電位/V；

t—接收的二次場衰減時間/μs。

晚期渦流場在圍巖中傳播深度H的計算公式如下：

式中：I—發射機電流/A；

S—發射線圈等效面積/m2；

η—未供電激勵時接收回線單位面積接收到的干擾信號。

2.2 地質解譯

瞬變電磁法獲得的成果是以探測寬度為橫坐標，以探測深度為縱坐標的視電阻率等值線圖。需根據視電阻率等值線特征、視電阻率值和坐標來判斷地質情況和推測不良地質體位置，解譯原則為：視電阻率與地質體含水率呈負相關，即視電阻率越大則地下水越不發育，視電阻率越小則地下水越發育。典型的不良地質體解譯如下：

（1）斷層：干斷層視電阻率等值線基本平行，分布稀疏，視電阻率值較大。含水斷層視電阻率等值線形態依情況而定，視電阻率值較小，總體符合斷層兩側大、中間小的規律。

（2）溶洞：干溶洞（空腔）視電阻率等值線基本平行，若周圍地下水發育則視電阻率等值線易形成近似沿溶洞邊界且中部視電阻率大而周圍視電阻率小的閉合形態。充水（泥夾石）溶洞視電阻率等值線也易形成閉合形態，但中部視電阻率小而周圍視電阻率大。

（3）溶隙、裂隙：視電阻率等值線形態依溶隙、裂隙發育形態而定，一般較雜亂，視電阻率較小。

3 基于良-強耦合性的共軸偶極法

3.1 耦合性探討

地質體在空間的展布情況具有復雜性，不同形態的地質體與磁場耦合情況不同。一般情況下，邊界比較平滑、形態比較立體的地質體更容易被磁感線穿越，達到良好的耦合效果；如果邊界比較粗糙、形態比較扁平，地質體與磁感線近乎平行或平行，耦合效果會下降甚至達到零耦合狀態，地質體與磁感線耦合情況如圖2所示。

圖2 磁感線與地質體耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of the coupling of magnetic inductance lines and geological bodies

3.2 傳統方法的不足

耦合效果直接影響數據的有效性，傳統方法是將發射線圈和接收線圈安裝在同一支架上[7，10]，將支架貼近掌子面（圖3），逐步移動支架進行數據采集。

圖3 測線布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of line survey layout

由于傳統方法的測試角度單一，地質體與磁場容易出現弱耦合甚至零耦合現象，可能導致預報不準的情況[6-7，11，13]，如表1所示。

3.3 共軸偶極法

為了盡可能避免磁感線與地質體出現弱耦合或者零耦合現象，需對地質體進行多角度探測[17-21]，即多次旋轉線圈使得磁場與地質體達到良好的耦合效果。本文考慮隧道工作環境的影響，選擇共軸偶極法進行多角度測試，將接收線圈（Rx）貼近掌子面放置，發射線圈（Tx）在Rx 后方10 m 左右，Tx和Rx 都位于隧道軸線上，將Tx和Rx 在水平和豎直方向同時轉動相同角度（兩者保持平行），如圖4所示。將線圈旋轉角度設定為：（1）水平方向旋轉角度依次為左45°、左30°、左15°、0°、右15°、右30°、右45°；（2）每一個水平方向角度對應7個豎直方向旋轉角度，即當水平方向角度確定時，Tx和Rx的豎直方向旋轉角度依次為上45°、上30°、上15°、0°、下15°、下30°、下45°。

多角度測試能盡可能使磁感線和地質體達到較好的耦合效果，角度分布如圖5所示。

4 現場探測與數據解譯

4.1 探測區地質概況

選擇九綿高速公路天池隧道YK223+135—YK223+035 進行現場探測。該里程段內工程地質資料如下：

YK223+135—YK223+101 段內表層為含碎石粉質黏土約厚0.5 m，下為石灰巖，局部溶蝕嚴重，巖溶裂隙較發育，巖體較破碎；局部夾巖溶裂隙帶。隧道圍巖為可溶巖，隧道開挖遇溶洞可能性較大，巖溶裂隙水量較豐富，以點滴狀和淋雨狀出水為主，局部呈涌流狀，圍巖設計等級為Ⅴ級。

圖4 線圈旋轉示意圖Fig.4 Schematic diagram of coil rotation

表1 傳統方法案例Table1 Traditional approach cases

圖5 共軸偶極法角度分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of the angular distribution of the coaxial dipole method

YK223+101—YK223+035 段內隧道圍巖為泥灰巖，為軟硬巖互層，軟巖為主，巖體較完整～破碎，中薄層狀結構。巖溶裂隙水量較豐富，以點滴狀和淋雨狀出水為主，局部呈涌流狀，圍巖設計等級為IV級。

4.2 現場工作

現場采用PROTEM CM 收發一體式瞬變電磁儀，包括直徑0.61 m的接收線圈Rx、邊長為1 m的正方形發射線圈Tx、收發一體式瞬變電磁儀主機、兩根電纜線，硬件組成見圖6。

圖6 PROTEM CM 瞬變電磁儀Fig.6 PROTEM CM transient electromagnetic instrument

為了將傳統方法和共軸偶極法的預報成果進行對比，在測試段內進行兩種方法探測。傳統方法：將發射線圈緊貼接收線圈，面對并貼近掌子面以間距為0.5 m的距離從左往右移動線圈進行數據采集。共軸偶極法：按照設定角度旋轉線圈進行數據采集。

現場工作主要步驟如下：（1）將開挖臺車和其它大型器械移動到掌子面后方50～100 m的位置，盡量避免金屬對電場和磁場產生干擾。（2）將發射線圈Tx 放置在掌子面后方10 m 左右的位置，接收線圈Rx盡量靠近掌子面，通過電纜線將Tx和Rx分別與主機相連。（3）按照傳統方法和共軸偶極法的操作方式進行探測。

4.3 數據處理和解譯

通過ReaTEM 軟件進行數據處理，Surfer 軟件出圖，得到成果如圖7～8所示，步驟主要如下：

（1）廢道剔除：將與相鄰數據差異較大的數據和信號波動較大的數據視為干擾，應剔除，避免干擾擴散至其他測道。

圖7 YK223+135—YK223+035 傳統方法測試結果Fig.7 Traditional method test results of YK223+135—YK223+035

圖8 YK223+135—YK223+035 共軸偶極法測試結果Fig.8 Test results of coaxial dipole of YK223+135—YK223+035

（2）濾波：手動濾波或者軟件自動濾波，從而提高信噪比。

（3）視電阻率計算：對剔除和濾波后的數據進行視電阻率計算。

（4）出圖：處理好的數據通過Surfer 軟件生成視電阻率等值線圖。

傳統方法的成果是一幅視電阻率等值線圖；若不進行步驟（1），共軸偶極法的成果是7 幅視電阻率等值線圖，本次測試數據剔除干擾后的成果是豎直角度為上30°、0°和下15°對應的視電阻率等值線圖。

受到掌子面附近鋼拱架等的干擾，掌子面前方約20 m 范圍內的信號不穩定，因此舍棄此段內的數據。為了驗證兩種方法的預報準確性，隧道開挖后，對探測結果進行了驗證，隧道開挖揭示的地質情況如表2所示。從表2中可以看出共軸偶極法預報含水不良地質體的準確度比傳統方法高，特別是在YK223+115—YK223+045 段內，傳統方法探測結果是巖體較完整，存在滲、滴水現象；共軸偶極法探測結果是存在巖溶裂隙、小股狀流水和存在滲、滴水現象。實際情況是巖體較破碎，節理裂隙發育，局部存在巖溶裂隙，存在多處小股狀流水，局部存在滲、滴水現象，與傳統方法探測結果存在顯著差別，與共軸偶極法探測結果相符。

表2 解譯與開挖驗證Table2 Interpretation and excavation verification

5 結論與建議

（1）瞬變電磁共軸偶極法是將發射線圈和接收線圈平行放置，二者均位于隧道軸線上，通過旋轉線圈對隧道掌子面前方地質情況進行水平和豎直兩個方向多角度探測。

（2）瞬變電磁共軸偶極法比傳統方法具有操作簡單（原地轉動線圈進行數據采集）、強耦合性（通過多角度測試提高了磁場與含水不良地質體的耦合性）、準確度高（本文成功探測到含水節理裂隙和巖溶裂隙的位置和出水狀態）等特點。

（3）對天池隧道巖溶裂隙含水不良地質體的預報結果表明傳統方法存在預報不準的情況，本文改進的共軸偶極法預報結果與實際開挖情況一致。

（4）瞬變電磁共軸偶極法在現場操作和成果解譯方面比傳統方法更具優勢，如果減小線圈每次旋轉的角度，增加探測數據的道數，可能探測到更詳細的含水不良地質體信息，從而提高預報準確性。