隧道瞬變電磁不同探測方式預報研究

0 引言

常見的突泥突水的事故，增加了隧道施工工作的難度，并伴隨著一定的經濟損失，甚至將對現場施工人員的安全，造成直接威脅。根據工程經驗，準確的地質超前預報探水工作，有利于現場根據隧道前方的巖體含水情況，采取預防措施，有效降低隧道施工風險，減少人員和財產損失。

目前，鉆探法、地震波法、瞬變電磁法，是隧道施工現場最為常用的三種探水地質超前預報方法。鉆探法能直觀反應掌子面前方含水情況，但鉆孔深度有限，鉆探角度存在偏差，影響現場施工進度；地震波法主要針對前方破碎帶比較敏感，結合地質情況輔助解譯含水狀態，對前方探水預報需要豐富的預報經驗；瞬變電磁法是一種專門探水的方法，探測距離遠，且能探測隧道周邊含水情況分布，探測時間短，不影響現場施工進度，在探水預報工作中使用廣泛、可靠。

隧道施工環境復雜，瞬變電磁法對鐵器敏感，在傳統的探測方式中，掌子面兩側往往有鋼拱架，會對兩側探測范圍內造成一定的低阻干擾；測點、測線及探測角度較多，現場探測斷面較小，接收回來的數據閉合性較差，通過測試圖像較難直觀反映現場含水分布情況，為避免重復探測，需合理布置測點位置；本文在傳統測試方式基礎上，通過減少拱架附近測試角度、中部增加測點、增加測線及水平布置三個測點的方式分別對同一掌子面進行探測，結合隧道開挖后的實際情況，比較分析各探測方式的適宜性，為今后探測工作提供依據，提高探測效果。

1 瞬變電磁法原理

瞬變電磁法或稱時間域電磁法（Time domain electromagnetic methods），簡稱TEM，它是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。其基本工作方法是：設置通以一定波形電流的發射線圈，從而在其周圍空間產生一次磁場，并在地下導電巖礦體中產生感應電流。斷電后，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。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，進而得到不同測試方向上不同深度巖層含水分布情況。

2 現場探測方式

方式一（傳統探測）：分別在掌子面前邊墻兩側布置兩個測點，每個測點均為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，均順時針旋轉，每個角度布置3條測線，分別為斜向上30°，正前方，斜向下30°，共42個數據，測線布置見圖1。

圖1 方式一測線布置圖

方式二（避免拱架干擾）：分別在掌子面前邊墻兩側布置兩個測點，每個測點均為60°、75°、90°，均順時針旋轉，每個角度布置3條測線，分別為斜向上30°，正前方，斜向下30°，共18個數據，測線布置見圖2。

圖2 方式二測線布置圖

方式三（避免拱架干擾，增加測點）：分別在掌子面前邊墻兩側布置兩個測點，每個測點均為60°、75°、90°，均順時針旋轉，每個角度布置3條測線，分別為斜向上30°，正前方，斜向下30°，掌子面中部增加一個正前方探測測點，測點布置一個角度為90°，3條測線，方向與兩邊測點測線布置方向一樣，共21個數據，測線布置見圖3。

圖3 方式三測線布置圖

方式四（避免拱架干擾，增加測線）：分別在掌子面前邊墻兩側布置兩個測點，每個測點均為60°、75°、90°，均順時針旋轉，每個角度布置5條測線，分別為斜向上45°、30°，正前方，斜向下30°、45°，共30個數據，測線布置見圖4。

圖4 方式四測線布置圖

方式五（正前方探測）：分別在掌子面邊墻兩側和中部各布置一個測點，每個測點探測角度均為正前方探測，測線為斜向上30°，正前方，斜向下30°，共9個數據，測線布置見圖5。

圖5 方式五測線布置圖

3 工程實例

3.1 工程概況

3.1.1 地形地貌

隧址區屬于構造剝蝕低中山地貌區。

3.1.2 地層巖性

隧址區分布的地層為進口段圍巖以硬塑狀粉質黏土、稍密狀卵石為主，洞身及出口段圍巖以強～中風化砂巖、泥巖、頁巖、泥質粉砂巖、泥灰巖為主。該段大面積分布泥巖、泥質粉砂巖為軟質巖，強度低，具易崩解、軟化特性，強風化層厚度大，邊坡開挖后易失穩，隧道進出口附近，須加強邊坡加固設計。

3.1.3 水文地質

地表水體不發育，地下水位埋藏較深，對隧道施工有一定影響。工程地質條件及水文地質條件一般。

3.1.4 現場掌子面情況

掌子面主要為黑灰色層理狀水云母粘土巖、粉砂質水云母粘土巖，中～強風化，薄～中層狀，巖體較破碎，局部破碎，主要呈碎裂結構，巖體富水性強，掌子面中部及左右兩側鉆孔內均出現股狀流水。

3.2 探測方式一（傳統）探測結果

探測方式一三維圖像見圖6。

圖6 探測方式一圖像

通過圖像可以看出斜下30°左右兩側約20～65m、正前方左右兩側約20～35m為低電阻率，該范圍內為含水區，受兩側鋼拱架影響，較難分辨兩側低阻區具體含水分布情況，易造成誤導，測點較近，采集數據較多，圖像信號閉合較差；盲區范圍較大，較難反應掌子面周邊含水分布情況。

3.3 探測方式二探測結果

探測方式二三維圖像見圖7。

圖7 探測方式二圖像

通過圖像可以看出斜下30°左側約30～65m、正前方靠左約30～45m為低電阻率，該范圍內為含水區，圖像效果較好。

3.4 探測方式三探測結果

探測方式三三維圖像見圖8。

圖8 探測方式三圖像

通過圖像可以看出斜下30°左側約0～65m、正前方約30～45m為低電阻率；斜下30°右側、正前方右側，電阻率稍高，以上范圍內為含水區，圖像效果一般，中部存在信號閉合不好。

3.5 探測方式四探測結果

探測方式四三維圖像見圖9。

圖9 探測方式四圖像

通過圖像可以看出斜下30°、斜下45°，約30～65m、正前方約30～45m為低電阻率，該范圍內為含水區，圖像效果好，反應全面，和現場吻合度高。

3.6 探測方式五探測結果

探測方式五三維圖像見圖10。

圖10 探測方式五圖像

通過圖像可以看出斜下30°兩側約30～65m、正前方兩側約30～65m為低電阻率，該范圍內為含水區，效果圖像較差，較難直觀反應前方含水情況。

4 總結及評價

根據前面五種不同探測方式均顯示出底板電阻率低，后四種探測方式正前方約30～45m含相對低阻區，結合現場揭露情況掌子面前方主要為底板水。五種探測效果評價總結見表1。

表1 不同探測方式效果評價表

5 結論及建議

①本文在傳統探測方式基礎上，對同一掌子面通過減少拱架附近測試角度、增加測點、增加測線及水平布置三個測點五種探測方式對前方含水分布情況進行探測，五種探測結果均能顯示掌子面前方存在底板水，后四種探測方式均顯示正前方約30～45m處為含水區，但五種探測圖像顯示存在明顯差異，方式一存在掌子面兩側鋼拱架影響，較難分辨周邊兩側含水分布情況，盲區較大，較難反應掌子面周邊含水分布情況，方式二、方式三、方式五顯示含水分布情況均存在一定局限，不能完全和現場吻合，方式四探測結果和現場吻合度高。

②在隧道進行瞬變電磁探測時，應合理布置測點，盡可能使測試角度避開邊墻兩側鋼拱架影響；隧道斷面較窄，應合理控制測點之間的距離，避免重復接收信號，造成信號閉合性差，給人造成誤導；保證一定量測試數據，能有效反應現場實際含水分布情況。不宜采用方式五探測方式，數據量小、矩形圖較窄，較難直觀全面反應現場含水分布情況。探測方式四測點間距合理，每個測點布置60°、75°、90°三個角度，每個角度布置五條測線，測試數據滿足現場探測需求，探測圖像效果好，能全面反應現場實際含水分布情況，探測精度高，建議類似隧道工程現場使用探測方式四進行探測。