水電工程不良地質體預測評價方法研究

鐘汶均，宋洋，于廣斌，劉小博，王向鵬，劉國棟

（1.中國安能集團第三工程局有限公司，成都 610036；2.成都理工大學，成都 610059；3.四川綿筑新材料有限公司，四川 德陽 610206）

1 引言

大地電磁法是以太陽風和雷電信號為場源，通過在地表觀測這些變化的電場和磁場分量來研究地球內部電性結構[1]。大地電磁場源信號頻率范圍約104～10-4Hz，根據電磁感應理論，其探測深度可從淺地表至上百千米深。由于具有探測深度大、對構造反應靈敏、受地形影響小、勘探成本低等諸多優勢，大地電磁法在隧道等工程勘察、油氣勘探、固體礦產資源勘查、地熱資源調查、地震預測和地質災害防治等領域應用廣泛。

現階段常用的超前預報方法主要有以下3 種：地震波反射法（TSP）、地質雷達法、瞬變電磁法。在隧道開挖前對地質情況的了解對于隧洞建設有著十分重要的作用。通過超前預報，及時發現異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，可以為正確選擇開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供依據，并為預防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好施工準備，保證施工安全，同時還可節約大量資金。所以，隧洞超前預報對于安全科學施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節約投資等具有重大的社會和經濟意義[2]。

2 國內外研究綜述

大地電磁法盡管已經發展了幾十年，但其三維反演解釋技術仍然存在較多問題，制約了該方法在構造復雜、三維性較強的隧道工程勘察中的應用效果。

在算法方面，大地電磁法最核心的就是正演和反演2 個過程。簡單來說，正演就是假設并建立地下物性模型，再求得該模型響應場的分布屬性，反演就是利用觀測到的場信息，采用最優化算法多次調用正演，從而求得與觀測場最匹配的正演響應模型。盡管過去許多學者已開展了大量的相關研究工作，但總結目前的研究進展來看，仍然主要偏向理論研究，面向實用化的三維技術研究較少，在國內還尚未形成具有實用性的算法和軟件。特別是大地電磁法存在的多解性強、分辨率低、計算效率低以及沒有成熟的數據處理反演軟件等因素，嚴重制約著這種方法的實際應用效果。

TSP 技術的最大特點是資料處理采用了地震偏移成像技術，直觀性好，操作方便，強弱反射震相都參與成像計算，適合復雜地質條件，實用性較好。但目前的TSP 預報方法也有不足之處，如對偶合劑材料的選擇要求較高，否則會影響數據采集的質量，從而對處理結果造成影響。

瞬變電磁方法對低阻、導電的薄層反應比較靈敏，有利于探測富水斷層等。市面上的隧道瞬變電磁處理軟件算法是煙圈成像，優勢是速度快，缺點是異常體的位置不準及成果的物性值不準，如圖1 所示，圖1a 異常位置呈現條帶分布，與實際物性資料相差較大，尤其右側區域，呈現相反情況，不能準確反映真實地層信息，富水帶范圍基本集中在37～48 m，背景值最小也為37 m，而圖1b 更接近巖體真實物性值，范圍約10～1 000 V/m。且目前YCS2000-A 礦用瞬變電磁儀激發、接收裝置采用的是手持裝置，會造成人為誤差，從而對處理結果精確度大打折扣。

圖1 瞬變電磁處理成果圖

3 大地電磁法

大地電磁法是以太陽風和雷電信號為場源，通過在地表觀測這些變化的電場和磁場分量來研究地球內部電性結構。大地電磁場源信號頻率范圍約104～10-4Hz，根據電磁感應理論，其探測深度可從淺地表至上百千米深，圖2 為大地電磁法基本原理示意圖。由于具有探測深度大、對構造反應靈敏、受地形影響小、勘探成本低等諸多優勢，大地電磁法在隧道等工程勘察、油氣勘探、固體礦產資源勘查、地熱資源調查、地震預測和地質災害防治等領域應用廣泛。

圖2 大地電磁法基本原理示意圖

對于二維大地電磁勘探，相關的正反演算法已基本成熟，大量學者也開展了三維大地電磁相關技術研究。盡管過去許多學者已開展了大量的相關研究工作，但總結目前的研究進展來看，仍然主要偏向理論研究，面向實用化的三維技術研究較少，在國內還尚未形成具有實用性的算法和軟件。

4 地震波法

TSP 超前預報系統，其主要是通過地震波在狀態不均衡的地質體當中，形成的反射波特征，針對掌子面前方和相關臨近地區范圍內的地質情況加以匯報。這種方法能夠有效檢測出前方巖性存在的一些變化，如斷層、不規則體以及破碎帶等。其還能應用于通過TBM 或者是鉆爆法來開挖的隧洞，而且不需要和掌子面相靠近。

作為當前相對先進的現代化探測手段，現在已經廣泛應用于水利、鐵路等工程中的各種類型的地下洞或者是隧洞工程，例如，大瑞鐵路隧道等相關工程便運用此項技術，具備預報距離較長、資料提交及時、精度較高等優勢，特別是和隧洞軸線進行相交的相關面狀軟弱帶，如破碎帶、斷層以及軟弱夾層等，均呈現出了較為理想的效果。

5 地質雷達法

地質雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）是一種利用高頻電磁波技術探測地下物體的電子設備。在地質雷達工作工程中，由發射天線向被隧道掌子面前方發射高頻電磁波，當高頻電磁波傳至巖體內2 種不同介質的分界面時，反射波返回被檢測體的界面，并由地質雷達的接收天線所接收，形成雷達圖像（見圖3）。

圖3 地質雷達處理成果圖

因為地質雷達在進行探測時會采取超高頻電磁波，這樣它的探測能力會高出以一般電磁波為基礎的探測類設備，因此，通常地質雷達會大范圍運用到明確考古深度、探查冰川、礦產勘探以及地下埋設物、針對公路地基、鋼筋結構等進行十分有效地檢測。這種技術具備以下幾方面優勢：效率較高、速度較快、資料提交及時等，特別是在面狀軟弱帶，如破碎層、斷層、軟弱夾層和地層相關分界面等呈現出十分理想的效果。

6 瞬變電磁法

瞬變電磁法稱為稱時間域電磁法，也就是TEM，這種方法是采取接地線源或者不接地回線朝著掌子面的前方進行脈沖磁場的一次發射，在首次脈沖磁場進入間歇階段，通過線圈或者接地電極進行二次渦流場檢測的方式。從某種角度來講，這種方法的基礎原理為采用電磁感應定律。通常情況下衰減過程主要劃分為早期、中期以及晚期。電磁場在早期如同頻率域當中的一些高頻成分，一方面衰減快，另一方面具有較小的趨膚深度；晚期便能看作頻率域黨總的低頻成分，一方面衰減慢，另一方面具有較大的趨膚深度。嚴格測量斷電之后的每一時間段伴隨時間出現變化的二次場規律就能獲得深度不一的地電特征。依據這種方法針對低阻體較為敏感的特征，近幾年應用于隧道的超前預報。其屬于發展前景十分廣闊的方法，能夠進行含水地質的查明（見圖4），如煤礦采空區等。該方法在將探測深度提升與在高阻區域探尋低阻地質體屬于一種靈敏性極高的方法，不會受到地形因素影響，和探測目標形成最優耦合，不僅擁有較強的異常響應而且形態簡單。

7 展望

借助大地電磁法所探測出來的成果，可以通過單點電測深等相關二維成果加以有效展示，這說明一般的二維處理方式能夠實現精確的地層劃分，而且清晰直觀地呈現測線上的電阻率實際分布情況。但是，實際上成果僅可以進行定性分考，無法明確異常體的實際走向等。若能夠通過三維技術針對成果實現三維展示，一方面能夠清楚體現異常體位置等相關信息，而且地質判斷會有更高的精度；另一方面，通過三維可視化展示能夠實現在空間范圍內的有效延拓，對于成果信息是一種極大的豐富。

圖4 利用瞬變電磁法探明的富水區域成果圖

8 結論

通過本文的研究，得出以下結論：

1）目前，電磁法主要還是以二維為主，急切需要快速、穩定、高分辨率的大地電磁三維反演算法；

2）需研發智能化地質雷達圖像識別軟件，擺脫或降低對人工經驗的依賴，克服人工解釋的主觀性和低效率，大幅度提升數據分析解釋的客觀性、可靠性、適應性和工作效率；

3）為提高勘探精度，需要在硬件上開發適用于隧道施工且穩定的瞬變電磁線圈框架設計；

4）對富水性不良地質體還需開發快速可靠定位的隧道瞬變電磁數據處理解釋軟件。