隧道勘探中瞬變電磁法應用研究

（山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100）

目前對于高速公路、油氣輸送管道、地鐵、隧道工程等都作為控制性工程，尤其對于復雜地形條件和地質結構時，較差的圍巖隧道地質工程情況，隧道開挖施工也會在一定范圍內形成圍巖松動區(qū)域，對圍巖局部地質結構產生嚴重破壞[1]。瞬變電磁法我國已成功應用在地礦、水利水電系統(tǒng)的找礦、找水、巖溶勘探等工程中，近年來在交通系統(tǒng)已逐步引進并得到推廣，主要用于路基勘察、隧道施工的超前預報，適用于山區(qū)隧道類勘探工程[2,3]。對瞬變電磁法原理、工作、特點、資料等進行概述，由于具有發(fā)現(xiàn)異常能力強、探測深度大、受地形影響小、設備輕、效率高等優(yōu)點，能較好地適合于公路深埋長隧道的勘探。所以在文中結合隧道采空區(qū)的實際情況展開勘探工作。本文提出瞬變電磁法運用于隧道勘探中，對技術應用情況展開分析。

1 瞬變電磁法概述

該方法在應用中作為基于電磁感應原理，所形成的從時間域人工源探測技術手段。能夠運用磁源、電偶源，成功向地下完成一次性脈沖磁場的成功發(fā)送，并在激發(fā)作用下，地質體內存在的激勵感應渦流，會以時間的具體改變情況隨之感應電磁場[4]。由于在二次場內包含豐富的地下地質電信息，對于一次脈沖磁場間歇過程中，可以充分運用接地電極與線圈實現(xiàn)對二次場的有效觀測，并提取分析相關信息，從而實現(xiàn)對底下地質探測。

以電磁感應原理為依據(jù)，無論頻率域或時間域電磁場，都應當以Maxwell方程式為依據(jù)，也為了便于獲得時間域電磁場，需要以Maxwelle方程求得頻率域電磁場，并經(jīng)富氏變換求解時間域瞬變電磁場。基于垂直磁偶源條件，均勻半空間二次電位表達公式如下：

式中：發(fā)射磁矩用M表示，發(fā)送電流用I表示，發(fā)回線面積用ST表示；均勻半空間電阻率用ρ表示；電圈接收有效面積用q表示。

2 應用隧道勘探地質及物理特征

本次隧道勘探工區(qū)經(jīng)前期調查達1200m～1500m高，呈現(xiàn)東北高、西南低的地貌傾斜趨勢。由于產生的水流向源侵蝕作用，形成了數(shù)條樹枝形狀的沖溝地貌，溝谷、沙丘、丘陵地勢結合地形地貌十分復雜化。本次綜合運用勘探技術手段的測區(qū)，地貌呈侵蝕性丘陵，沿溝谷外露，呈低山丘陵地貌呈現(xiàn)較大的隧道線位起伏。能夠發(fā)現(xiàn)陡峭懸崖，并且可見粉砂巖、礫巖、花崗巖、變質細砂巖存在溝壑內。

3 綜合勘探方法及參數(shù)選擇

結合該工區(qū)的實際情況在運用瞬變電磁法時，從電性角度看，區(qū)內第四系覆蓋層、全風化巖石、含水構造帶的電阻率較低，＜40Q·m，而強風化巖石的電阻率約為40Q·m～200Q·m，中風化巖石的電阻率約為200Q·m～400Q·m，弱風化巖石的電阻率＞400Q·m。它們之間的電阻率差異明顯，可見，該區(qū)具備開展TEM的電性條件。

3.1 瞬變電磁法參數(shù)設計

在運用瞬變電磁法開展本次隧道勘探野外工作中，具體流程（見圖1），首先確定該工區(qū)的異常完成性及周圍背景場，然后確定剖面點距以異常完整性達到3個以上，并在發(fā)現(xiàn)異常時進行密切觀測。在開工收工后，檢查儀器設備保證設備合格性，并根據(jù)有關規(guī)定完成操作，保證同測區(qū)的儀器參數(shù)等同。在線框布設過程中，需要在地面按照S型鋪設，一旦遇到可疑點、突變點、異常點，要進行重復觀測，或檢查是否為假異常。選用ProTEM系列（加拿大）瞬變電磁儀設備，設定3A以上的儀器設備發(fā)射電流參數(shù)，控制通道靈敏度在0.5μV以內，輸入等效噪聲在1μV以內。水平鋪設現(xiàn)況，控制擺動幅度在回線邊長5%以內，還要控制在5%以內的線框角點位誤差。最終確定10m的測點點距，分別為200m×200m、20m×20m的發(fā)射、接收線框。

圖1 瞬變電磁法野外工作示意圖

3.2 數(shù)據(jù)處理分析原則

運用瞬變電磁法處理數(shù)據(jù)時，需要對外部電磁對數(shù)據(jù)造成的干擾快速消除，處理中校正地形并對地形地表產生的數(shù)值影響快速消除，盡快恢復地下導電地質體瞬變相應的變化規(guī)律特點，結合順便響應具體特征結構，成功消除外部電磁噪聲信號，并對固有的感應信號衰變規(guī)律特征逐漸恢復，來達到瞬變響應的反演、成像需求。運用EMIGMA軟件處理獲得的勘測數(shù)值，完成數(shù)據(jù)編輯后構建初始模型，并對該模型實施一系列迭代演練，最終控制反演擬合誤差小于5%。通過采用儀器配套攜帶畫圖軟件，完成電阻率-頻率曲線圖繪制，并逐個糾正曲線畸變點。之后建立而為模型，并作二維反演處理過程后，繪制反演圖結合測試工區(qū)的電阻率異常情況，對地質的界限、構造、地下水和斷層情況進行分析。

4 隧道綜合勘探結果

每天施工前都對儀器進行檢校，達到儀器檢校標準后才投入到施工中，施工中對可疑點、異常點都進行了多次重復觀測，衰減曲線正常才記錄。

圖2 瞬變電磁法主測線電磁電阻率等值線斷面

（見圖1）作為采用瞬變電磁法獲得的主測線電磁電阻率等值線斷面，可以發(fā)現(xiàn)主要對于+325～+425這一段，+525～+850這一段，以及+950～+1100這一段發(fā)生劇烈明顯的橫向電阻率變化情況，切斷了橫向電阻率連續(xù)性，產生異常低阻區(qū)域。與前期調查該工區(qū)的實際情況相關資料，發(fā)現(xiàn)主要是開采煤層出現(xiàn)積水情況。布設與注冊線平行的旁側線，兩線間隔30m，根據(jù)該成果圖對比可以發(fā)現(xiàn)幾乎一致的異常所在位置。

圖3 瞬變電磁法二次電位剖面

（見圖3）作為瞬變電磁法獲得的二次電位剖面與實際勘探現(xiàn)場情況結合，發(fā)現(xiàn)具備較大相似度的電性結構。根據(jù)主測線可以發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)高-低分布，不同段的地質情況都能夠結合工區(qū)實地資料加以明確。橫向上從左至右看，視電阻率從低（10Q·m）至高（800Q·m）再至低（10Q·m），視縱向電異率由高（＞15s）至低（＜5s）再至高（＞15s），反映了隧道進口至中部再至出口，地層風化由強變弱再至強的地質分層特點。

根據(jù)該圖可看出，隧道共有6個較明顯的異常地段，二次電位及視電阻率等值線異常突變。由于K13+100～+200地下泉水豐富，推測該異常為地下水所致，而其他異常則為斷層所致。

5 結語

綜上所述，在隧道勘探工作中通過運用瞬變電磁法，能夠獲得有效的隧道采空區(qū)勘探結果。但是需要注意的是在運用瞬變電磁法時，仍然無法獲得準確的不良地質體定位結果，只有進一步深入研究該技術理論，才能夠進一步提高瞬變電磁法的結果準確性。