瞬變電磁法在隧道超前地質預報中的應用

李枝文

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 404100)

1 瞬變電磁法基本原理及觀測系統布置方式

瞬變電磁法的激發場源通常有兩種，一種是接地電極形式的電流源，另一種是回線形式的磁源。以下以理想條件下的瞬變電磁響應為例，探討使用回線裝置的磁偶源激發的瞬變電磁場，進而簡要闡明其探測的理論基礎。

假設在導電率為σ、導磁率為μ的均勻各向同性大地表面敷設面積為S的矩形發射回線裝置，同時在回線中供以階躍脈沖電流

(1)

在持續穩定供電之前(t<0時)，一個穩定的磁場會在回線裝置四周的大地和空間建立起來，如圖1所示。

圖1 矩形框磁力線

若在t=0時刻，突然斷開電流，在一次場斷電后，感應的二次場就會在地下介質中產生，由于感應電流在良導電介質會產生明顯的熱損耗，二次場基本上呈指數規律隨時間衰減，這樣就形成了瞬變電磁場。二次場的主要來源是良導體介質內產生的感應電流，因此它含有地下介質相關的重要地質信息，尤其是含水體等良導體信息。利用回線裝置接收二次場數據，對采集到的數據進行處理和解釋，可以推斷地下介質和相關物理參數情況。

瞬變電磁在超前探測應用中通常采用多匝重疊回線裝置的裝置形式，發射線框采用多匝1.5 m×1.5 m矩形回線。為了多角度綜合判斷前方地質情況，現場探測采用縱向、橫向和沿著掌子面前方逐點探測三種方式掃描，縱向方向掃描上下各60°范圍，每10°一個測點，共13個測點；橫向方向掃描左右各60°范圍，每10°一個測點，共13個測點，橫向共采集仰角0°、仰角30°兩個方向上的數據；掌子面正前方離底板約2 m布置一條橫測線，每隔2 m探測一次。現場觀測系統布置方式示意圖如圖2～圖3。

圖2 掌子面縱向扇形探測示意圖

圖3 掌子面橫向扇形探測示意圖

2 瞬變電磁法的資料解釋

渝廣高速公路華鎣山隧道位于重慶市北碚區靜觀鎮，隧道地質條件非常復雜，隧址區巖溶非常發育，溶蝕洼地、溶洞、暗河等不良地質在隧道開挖過程中均可能出現，且地下水補給充足。為了初步查明掌子面前方地層含水情況，考慮將瞬變電磁法應用到實地探測中。探測時掌子面所在樁號為Z2K26+221，掌子面巖性為泥灰巖，圍巖節理、裂隙發育，方解石充填，層理清楚，圍巖干燥。

瞬變電磁法的資料解釋通常包括以下幾步：首先對現場采集到的數據進行降噪處理，視電阻率曲線依據晚期場公式計算得到，然后進行時深轉換可以得到各條測線的視電阻率剖面圖，最后依據探測區域的電性剖面圖同時結合地質資料進行綜合分析解釋，可以定性推斷地層含水區分布狀況。

(1)縱向扇形探測情況

現場采集數據經過數據編輯、濾波處理、視電阻率計算、時深轉換等步驟，可得到如圖5視電阻率等值線圖。由圖4可知，掌子面正前方88～100 m、拱頂方向0～20 m范圍內視電阻率相對較低，推測該區域為巖溶發育含水區域。

圖4 縱向扇形探測視電阻率等值線圖

(2)橫向扇形探測(仰角0°)探測情況

橫向扇形探測數據經過數據處理后，可得如下圖5視電阻率等值線圖。由圖5可知，掌子面正前方90～100 m、左側10 m～右側38 m范圍內視電阻率值相對較低，推測該區域為巖溶發育含水區域或巖溶裂隙含水帶。

圖5 橫向扇形探測(仰角0°)視電阻率等值線圖

(3)橫向扇形探測(仰角30°)探測情況

橫向扇形探測數據經過數據處理后，可得如圖6視電阻率等值線圖。由圖6可知，掌子面正前方92～100 m、左側0 m～右側30 m范圍內視電阻率值相對較低，推測該區域為巖溶發育含水區域或巖溶裂隙含水帶。

圖6 橫向扇形探測(仰角30°)視電阻率等值線圖

(4)掌子面正前方探測情況

掌子面正前方探測數據經過數據處理后，可得如圖7視電阻率等值線圖。由圖7可知，掌子面正前方100 m范圍內未見明顯低阻異常。

圖7 掌子面正前方視電阻率等值線圖

3 結論與建議

(1)根據物探成果并結合地質資料綜合分析，可推斷得到以下幾點結論。

①掌子面正前方88～100 m、拱頂方向0～20 m范圍內(樁號Z2K26+133～Z2K26+121區域)視電阻率相對較低，推測該區域為巖溶發育含水區域，主要來自拱頂方向。

②掌子面正前方90～100 m、左側10 m～右側38 m范圍內(樁號Z2K26+131～Z2K26+121區域)視電阻率值相對較低，分析為巖溶發育含水區域；掌子面正前方92～100 m、左側0 m～30 m范圍內(樁號Z2K26+129～Z2K26+121區域)視電阻率值相對較低，推測該區域為巖溶發育含水區域或巖溶裂隙含水帶。綜合分析，在掘進到上述區域附近時即樁號Z2K26+133～Z2K26+121段施工可能發生突水突泥等危險，需采取相應安全措施。

(2)建議在物探異常區，應采用超前鉆探手段對物探結果進行驗證，進一步修正前方預測的地質情況，特別是在施工穿越受巖溶或裂隙發育影響的Z2K26+133～Z2K26+121段，主要為來自拱頂和左邊墻方向的影響，應優化施工工藝，短進尺，強支護，提前做好防突泥、防突水、防坍塌等相關應急措施。

(3)施工中如出現涌水量突變的情況，應及時撤離人員，并向有關領導匯報。