瞬變電磁法在引水隧洞超前地質預報中的應用

張旭杰

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710000)

超前地質預報是在隧道開挖工作中對隧道中的圍巖和地層等情況進行超前預報的一種手段,其有利于分析該區域的地質情況,并可根據地質預報結果進行后續的施工等工作。常見的超前地質預報方法有高密度電阻法、瞬變電磁法、地震波法和聲波法等。其中,瞬變電磁法對水比較敏感,并且探測的距離遠,適用于引水隧洞的超前地質預報工作。

1 瞬變電磁法基本原理及特點

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)也稱時間域電磁法(Time Domain Electromagnetic Methods,TEM),是以地殼中巖石和礦石的導電性差異為物理基礎,并利用接地導線等線路,以脈沖電流作為場源,通過分析電場中二次場隨時間變化的響應,分析地下介質的電性變化情況,進而了解探測區域的地質情況[1]。瞬變電磁法的工作原理是利用電磁感應定律分析電磁場變化,當使用瞬變電磁法發射脈沖磁場時,電磁場的衰減過程可分為早期、中期、晚期,而三個時期的電磁場又呈現不同的狀態,早期的電磁場衰減快、趨膚深度小,中期的電磁場衰減速度適中、趨膚深度適中,而晚期的電磁場衰減滿、趨膚深度大。通過分析斷電后不同時間段的二次場隨時間變化的規律,能進一步分析得出不同深度的地電特征,并基于此確定探測區域的地質情況[2]。

根據瞬變電磁法的基本原理,該方法具有以下幾個特點。(1)在應用時其能將頻率域的精度問題轉化為靈敏度問題,在探測時通過增加設備的功率和靈敏度就能增大信噪比,從而加深探測的深度。(2)采用同點組合進行探測有助于提高探測的精度。(3)在實際的探測工作中,由于對線圈的布置要求不高,整體工作操作比較簡單,工作效率也比較高。(4)由于使用該方法進行探測時能穿透低阻,因此其探測深度大,可滿足較深隧洞的探測需求。(5)該方法能使剖面測量和測深工作同時完成,進一步提高工作效率[3]。

2 瞬變電磁法在隧洞中的應用現狀

隨著我國交通運輸事業的發展,在工程中面臨的各種極端環境也越來越多,瞬變電磁法由于其探測深度大、工作效率高等特點,在地面和隧洞的工程建設中均有廣泛的應用。但其在隧洞中的應用的間較短,在上世紀末時仍處于研究和試行階段。相比在地面上的應用,瞬變電磁法在隧洞中的應用有以下三點特征。

(1)由于隧洞與地面不同,其內場是全空間的,在使用瞬變電磁法進行探測時,所獲取的探測信息包含布置線圈周邊的地質信息。(2)隧洞不如地面空間廣闊,在探測時不能通過增加線圈尺寸來增加探測范圍,一般需要通過增加線圈匝數來增加探測范圍。(3)外界因素影響大,雖然超前預報工作一般在施工之前進行,但此時場地仍包含各種施工機器和設備,此類機器和設備一般由金屬制成,在使用瞬變電磁法時可能會影響隧洞內的電磁場,從而影響超前預報結果。

針對以上三點問題,目前第一點仍未形成較好的解決辦法,但針對某些情況,可近似地認為整個環境是半空間的,例如在隧道掌子面尺寸大于發送回線邊長5倍時。針對第二點探測范圍的問題,目前已經取得了較好的研究成果,目前比較常用的是惠州院和西安煤科院的研究成果,惠州院對收發線圈進行了改進[4],而西安煤科院使用磁探頭替代了原本的收發線圈,進一步優化了探測質量[5]。針對第三點外界因素影響問題,也取得了一定研究進展,一般可通過調整設備位置和距離來減輕其對探測結果的影響,但由于某些設備和設施在設置后就難以移動,因此,此類設備和設施造成的影響難以解決。

3 瞬變電磁法在引水隧洞超前地質預報中的應用

3.1 工程概況

為研究瞬變電磁法在引水隧洞超前地質預報中的應用,以西北地區某引水工程的輸水隧洞為例開展分析。該隧洞全長約31.9 km,包括閃石英片巖、石英片巖、花崗閃長巖等巖脈。由于隧洞較長,其在不同洞段的地質、地層結構均存在差異,因此,為分析不同洞段的隧洞情況,將整個隧洞根據大致的地質和地層結構分為若干段。其中一標隧洞圍巖主要是灰白色前震旦系馬銜山群角閃石英片巖、花崗閃長巖等,夾有部分石英巖脈,巖石呈弱風化—微風化。同時一標中的洞段下穿某河,該河年徑流量為2 674.5萬m3,該洞段的洞頂距離河底部僅有36 m,一旦該部分的巖層破裂或者巖層裂隙擴大,很可能發生突涌,影響施工安全。七標由三個處理段組成,包括1個軟硬巖和2個斷層,自上游至下游的巖層依次為安山巖、紅褐色斷層泥和角礫巖、砂礫巖。經分析,整個隧洞的絕大部分洞段處于地下水位以下,在實際的探測和施工中,受地下水和隧洞深度的影響,需要對水敏感、探測距離遠的探測進行超前地質預報工作。基于此,將瞬變電磁法作為該隧洞超前地質預報的主要探測方法,針對某些難以探測到的盲區,使用探地雷達法進行探測。

3.2 儀器設備、參數設置

本次探測使用到的主要儀器和設備為礦用瞬變電磁儀(西安煤科院研制,型號為YCS-2000A)。其基本參數設置見表1[6]。

表1 主要設備基本參數設置

3.3 測線布置

根據對隧洞的分析,采用測線布置[7]見圖1。其中,不同的角度代表發射線圈法線方向與掌子面的夾角。

圖(a)為本次工程隧洞的水平扇形掃描測線,箭頭指向方向的度數為與掌子面右壁的夾角;圖(b)為本次工程隧洞的垂向扇形掃描測線,箭頭指向方向的度數為與掌子面右壁的夾角。

3.4 探測方法

在使用瞬變電磁法進行隧洞超前地質預報時,根據已確定的測線布置方式進行儀器設備和測線的布置,此過程中需對場地周邊的儀器和設備進行處理,對可移動的設備進行移動,減少其對探測結果的影響,對無法移動的設備進行位置記錄,用以后續的探測結果分析。同時,需注意以下技術的要求。(1)測線應布置于地形平坦的場地,保證測線覆蓋所有探測區域,并盡量遠離地面的各種設施,以減少其對探測結果的影響。(2)嚴格把控剖面方向及剖面長度,剖面方向應與隧洞走向垂直,剖面長度應結合正常場的長度確定。(3)在進行普查工作時,對于重疊回線和中心回線,一般測線間距等于回線邊長L,測點間距的大小為1/2L～L;對于大定源回線,測線間距和測點間距相比重疊回線和中心回線的要密一倍;此外,在進行詳查工作時,由于重疊回線的重疊覆蓋率可達到90%,因此,一般選擇大定源回線[8]。(4)在選擇采樣延時、線圈疊加次數、回線邊長時,應通過實地試驗和分析確定。(5)在鋪設回線時,應注意測線方位與測點間距的偏差,從而減少探測結果的誤差。(6)除需記錄場地周邊的影響因素外,還應記錄地面的影響因素,考慮到本次工程的地理位置,應記錄地質、地貌、風力等自然條件對讀數的影響。

3.5 數據處理方法

在使用礦用瞬變電磁儀獲取探測結果后,需要對數據進行處理。首先進行數據預處理,使用濾波方法處理數據中的噪聲干擾問題,由于不同響應的剖面曲線和衰減曲線需使用不同的濾波方法。因此,在進行數據預處理工作時,需根據實際情況選擇合適的濾波方法,常用的濾波方法有三點濾波法、四點濾波法、六點濾波法、卡爾曼濾波法和函數擬合法。其中,三點濾波法適用于衰減曲線和剖面曲線,四點濾波法和六點濾波法適用于剖面曲線,卡爾曼濾波法和函數擬合法適用于衰減曲線(在響應無負值的情況下)[9]。在完成數據預處理工作后,使用礦用瞬變電磁儀配套的數據處理軟件作為數據處理解釋軟件,并按照以下原則進行資料解釋。(1)異常的定性解釋原則,通過多種方法準確區分正常場和異常場,并根據異常的規模劃定異常等級,例如,通過對比衰減曲線的緩慢程度確定正常場。(2)異常的半定量和定量解釋原則。使用該原則進行資料解釋的目的是確定或檢驗異常源的性質,并計算其埋深、產狀、規模等,可通過理論公式和經驗公式計算。此外,已知不同巖層的電阻率存在差異,在進行數據處理時需考慮此方面因素的影響。

3.6 超前地質預報結果

利用瞬變電磁法進行隧洞超前地質預報,得出以下幾個洞段存在異常。第一處為一標中的一處巖體儲水,具體情況如下。一標上游掌子面中央垂向扇形掃描見圖2,該次掃描的探測范圍主要是石英片巖,因此,其視電阻率大于40 Ω·m。根據圖2可以分析得出,掌子面的正前方存在一個視電阻率低于40 Ω·m的低阻團(圖中虛線圓圈處),該低阻團距離掌子面的距離約為62 m,橫截面積約為63.6 m2,由于此洞段位于水體附近,因此,推測該段巖體中存有水體。發現施工后圖2中標記位置確實存在巖體破碎和多點滲水現象。由此可見,預報結果與實際結果對應較好。

橫軸L—回線邊長;縱軸x—掌子面橫向水平距離。

第二處為一標中的三處巖體儲水,具體情況如下。一標4號井段下游掌子面水平扇形掃描見圖3,該次掃描的探測范圍主要是石英閃長巖,因此,其視電阻率大于35 Ω·m。根據圖3可以分析得出,掌子面的正前方存在兩個視電阻率低于35 Ω·m的低阻團(圖中虛線橢圓處),掌子面正前方右側存在一個視電阻率低于35 Ω·m的低阻團(圖中虛線橢圓處),三個低阻團呈橢圓形,最大的橫截面積約為536.9 m2,最小的橫截面積約為37.7 m2,由于此洞段位于水體附近,因此,推測該段巖體中存有水體。發現施工后圖3中掌子面正前方右側壁有水流噴出,射程在1 m左右,與預報中的結果相符。

橫軸x—掌子面橫向水平距離;縱軸L—回線邊長。

由于一標4號井段下游掌子面正前方存在兩個低阻團,為避免瞬變電磁法的探測出現盲區,采取探地雷達法對該區域進行二次探測,使用探地雷達法進行探測的成果見圖4。根據圖4可以分析得出,成果圖前方8～13 m左右存在介電常數界面(圖中虛線圈處),此結果與瞬變電磁法探測所得的結果相同,驗證了瞬變電磁法探測結果的準確性。

橫軸x—掌子面橫向水平距離;縱軸h—縱向探測距離。

3.7 超前地質預報結果評價

本次工程的超前地質預報結果統計見表2。其中,已預報次數指使用瞬變電磁法進行超前地質預報的次數,已驗證次數指已經驗證過預報結果的次數,有效次數指已進行過預報并且驗證結果屬實的次數,無效次數指已進行過預報但驗證結果不屬實的次數[10]。同時,由于施工未完全結束,因此部分掌子面未掘進至異常位置,暫時未能完成驗證。由表2可知,在共13次驗證中,有效次數的比例為76.9%,無效次數的比例為23.1%。

表2 超前地質預報結果統計

根據表2的超前地質預報結果進行分析可以得出,一標的有效預報次數占比為90.0%,而七標的有效預報次數僅占33.3%。基于此,作出如下分析。(1)根據施工地的詳情,一標區域沒有錨網(金屬材質)支護,而七標區域包含大量的錨網支護,此類錨網支護會對瞬變電磁法的探測產生干擾,從而影響探測結果。(2)一標巖性變化不大,而七標巖性變化明顯,并且地下水、巖性成分等均可能造成異常。(3)一標工作面清理符合探測要求,而七標工作面設備和雜物過多,其清理偶爾不符合探測要求。

4 結 論

(1)瞬變電磁法在水患嚴重的隧洞工程建設中有著重要的作用和明顯的技術優勢,可以很好的完成超前地質預報工作。(2)由于瞬變電磁法可能受其他因素影響,因此,一般可以選擇探地雷達法作為其輔助探測技術,保證不遺漏任何需探測的問題。(3)地層、巖層中的金屬和金屬設備中的金屬干擾,以及異常位置精度是瞬變電磁法的短板,目前仍有待解決。