巖溶隧道瞬變電磁響應數值模擬及應用

趙雪平 趙玉超 白永杰

(1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400030； 2.鄭州大學綜合設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

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巖溶隧道瞬變電磁響應數值模擬及應用

趙雪平1趙玉超2白永杰1

(1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400030； 2.鄭州大學綜合設計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

利用ANSYS軟件，對巖溶隧道的瞬變電磁法超前地質預報進行了模擬計算，表明瞬變電磁法對巖溶體敏感，驗證了瞬變電磁法超前預報的可行性，與工程應用結合，可為現場數據的解譯工作提供理論依據。

瞬變電磁法，超前地質預報，數值模擬，隧道

隧道瞬變電磁法是一種利用電磁感應原理的時間域人工源電磁超前探測方法，自20世紀70年代開始這項工作的，樸化榮、曾孝箴、王延良等人將脈沖式航電儀用于地質填圖和找礦中[1，2]；牛之璉等將瞬變電磁法應用于金屬礦的勘探并取得良好的探測效果[3]；李貅、薛國強等對瞬變電磁法的合成成像、算法、解釋等一系列理論成果進行了豐富[4]；譚代明等驗證了ANSYS正演數值模擬計算的可行性[5，6]。目前，瞬變電磁法在隧道超前地質預報中應用越來越廣泛，其對巖溶富水體的準確預報也得到了充分的認可。

隧道瞬變電磁法超前預報的原理是利用在掌子面布置線圈發射一次脈沖電流，激發電流在斷開的瞬間會在地質體內產生瞬變電磁場，由于地質體具備一定的導電性能，在地質體中瞬變電磁場感應生成渦流，渦流進而感生出二次磁場，利用接收裝置接收二次場信號，根據不同信號的數據進而分析地質體的信息。

由于隧道瞬變電磁法屬于全空間瞬變電磁法，其原理與半空間仍存在一定的差別，在理論研究和探測結果分解譯上仍存在一定的缺陷。本文利用ANSYS有限元軟件對瞬變電磁法的探測響應原理進行正演模擬，結合某富水隧道的瞬變電磁超前探測結果，為瞬變電磁探測結果的解譯提供理論基礎，進一步提高探測結果的準確度和精度。

1 瞬變電磁法基礎理論

Maxwell根據前人和自己的分析結果，總結出普遍情形下的電磁場方程組，以下為Maxwell方程組的積分形式：

(1)

根據電磁波在空間范圍內傳播的分量沿XYZ軸分解，規定E沿X軸傳播，H沿Y軸傳播，式(1)可以變換為：

(2)

由上式可以看出磁場的變化會激發出渦流電場，下式右端為位移電流表達式，下式相當于上式的E,H對調獲得，說明位移電流的變化會激發磁場。因此，電場和磁場是相互激發，相互感生，同時并存的，這也是瞬變電磁理論的精髓所在。

2 數值模擬

2.1 模型尺寸及參數選擇

在利用ANSYS有限元軟件對瞬變電磁的三維正演模擬中，有限元法是對整個模型進行離散化處理，將模型劃分成一定數量的單元，建立每個小單元上的待求解的近似解，進而求得整個模型的近似解，同時采用以有限單元上的場量作為變量的計算方式具有較高的計算精度。建立隧道全空間模型(見圖1)，模型尺寸200 m×200 m×400 m，假定隧道形狀為拱形，隧道斷面寬10 m、高13 m，隧道已開挖距離為200 m，巖溶富水體位于掌子面正前方40 m～60 m處。

根據實際隧道中的圍巖巖性、巖溶水的電阻率變化范圍，取其相近值作為本模型的計算值，相關取值見表1。

表1 材料參數表

激勵源設置在掌子面，在激勵源中的不同時刻設置不同大小的電流密度來模擬實際電流的開關，電流接通期間設置電流密度的最大值，電流斷開期間設置電流密度為0。

2.2 數值模擬結果分析

通過對掌子面前方有無巖溶體進行數值模擬計算，得到兩種情形下的渦流場云圖如圖2，圖3所示。

如圖2和圖3所示，在激發電流斷開之后，圍巖、巖溶體均產生感應渦流。由圖2可以看出無巖溶體時，根據“水波效應”，圍巖中的渦流密度的極大值存在于掌子面附近，并隨著時間逐漸損耗變小，直到能量損耗完。由圖3可以看出渦流在巖溶體內達到極大值，由于巖溶體電阻率遠低于圍巖，巖溶低阻體中渦流密度大、衰減慢，所以瞬變電磁場對低阻有極強的辨別能力，這也是瞬變電磁法進行電磁超前預報的基礎。

3 工程應用實例

以某特長隧道為工程背景，隧道洞身圍巖主要為白云巖和部分花崗巖，裂隙比較發育，且隧道埋深大，含水量較為豐富，水頭高、具備承壓性，存在瓦斯、巖溶和巖爆等不良地質。為防止在施工過程中出現突水災害，在施工過程中利用瞬變電磁儀進行了多次超前地質預報探測，探測儀器采用礦用YCS160型瞬變電磁儀，數據處理利用儀器所附軟件進行反演計算得到掌子面前方視電阻率分布。選取隧道ZK42+480～ZK42+680里程巖溶富水段進行瞬變電磁探測現場測試研究，里程段內掌子面出現涌水狀況。視電阻率反演如圖4所示。

由視電阻率圖4可以看出隧道ZK42+480～ZK42+580里程段均為富水區，其中ZK42+530～ZK42+580里程段掌子面右側45°方向低阻反應敏感，推斷存在巖溶區，經后期超前鉆探及隧道實際開挖驗證，探測結果基本與實際情況相符。

4 結語

1)利用ANSYS數值模擬軟件對富水巖溶隧道瞬變電磁法的正演模擬計算，說明隧道瞬變電磁對低阻體敏感的特性，驗證了瞬變電磁法進行超前預報的可行性。

2)數值模擬與現場工程實例相結合，為現場瞬變電磁探測數據的解譯工作提供理論依據，有效地提高瞬變電磁隧道超前地質預報的精度及準確度。

[1] 周 平,施俊法.瞬變電磁法(TEM)新進展及其在尋找深部隱伏礦中的應用[J].地質與勘探,2007(6):63-69.

[2] 于景邨,常江浩,蘇本玉,等.老空水全空間瞬變電磁法探測三維數值模擬研究[J].煤炭科學技術,2015(1):95-99,103.

[3] 牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學出版社,2007.

[4] 薛國強,李 貅,底青云.瞬變電磁法正反演問題研究進展[J].地球物理學進展,2008(4):1165-1172.

[5] 譚代明,泰 岳.基于ANSYS的瞬變電磁法數值模擬[J].路基工程,2008(5):30-32.

[6] 譚代明,泰 岳.地下全空間瞬變電磁響應的數值分析[J].物探化探計算技術,2009(2):86-87，121-125.

Numerical simulation and application of karst tunnel transient electromagnetic response

Zhao Xueping1Zhao Yuchao2Bai Yongjie1

(1.ChongqingUniversityCoalDisasterDynamics&ControlNational-Laboratory,Chongqing400030,China; 2.ZhengzhouUniversityComprehensiveDesignAcademyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

To simulate the transient electromagnetic method geological forecast of karst tunnels by ANSYS software, indicating that the TEM is sensitive to the karst, the feasibility of the TEM prediction method is verified; combined with engineering application, to provide a theoretical basis for on-site data interpretation work.

transient electromagnetic method, geological forecast, numerical simulation， tunnel

1009-6825(2017)07-0155-03

2016-12-21

趙雪平(1991- )，男，在讀碩士

U456.33

A