瞬變電磁與TSP的隧道超前預報三維探測方法研究

肖繼文 陳 挺 張世奇 孫光吉

中國公路工程咨詢集團有限公司

1 研究背景

我國西南地區地質構造復雜且是巖溶高發區，修建鐵路通常需要考慮深埋長隧道開挖過程中遇到的巖溶涌水、突泥等安全風險[1]。利用地球物理探測方法掌握隧道掌子面前方不良地質體情況并及時調整隧道施工工藝，不僅能夠加快隧道施工進度，更能避免地質災害事故發生，減少人員傷亡[2]。超前預報中常用對含（導）水地質構造敏感的瞬變電磁法探測巖溶構造[3]。它基于巖石導電性差異，利用巖石在電圈發射的一次電場間歇感應的二次電場變化，實現探測地質體導電性分布的目的[4]。TSP法是利用不良地質體波阻抗界面產生的回波推斷前方地質特征，對斷層、軟弱層、巖溶構造強烈發育區有較好地反映[5]。

然而巖溶構造充填物質多樣，發育空間分布復雜，探測結果都是掌子面前方全空間地質體的綜合響應，反映前方異常體的總體情況，難以做到準確、直觀地推斷巖溶構造在空間中的分布[6]。

本文使用FCTEM60拖拽式高分辨瞬變電磁系統以點測和扇形掃描的方式采集數據，利用Voxler軟件中反距離權重插值法將反演的二維數據構建為三維數據體，最后結合TSP結果綜合分析掌子面前方的含水構造空間分布情況，使異常體直觀立體地顯示在解釋成果中。

2 探測方法工作原理

2.1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁（TEM）是以巖石導電性差異為基礎的電磁感應方法。其工作原理是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，一次電磁場傳播至地下良導體時在其內部生成變換的感應電流，進而再次感生二次磁場。在發射間歇，通過線圈或接地電極觀測由圍巖良導體感應的二次電磁場的空間分布隨時間的變化，其變化反映了探測范圍內巖體導電性的分布情況，進而掌握掌子面前方充水和泥的不良地質體的空間分布[7]。由于二次磁場來源于良導體的感應電流，因此瞬變電磁法對于含（導）水地質構造反映及其靈敏。那么視電阻率可以表示為：

式中：

S1——當發射線框面積；

N1——線圈匝數；

S2——接收線框面積；

N2——線圈匝數；

ρt——視電阻率；

t——衰減時間，V/I為歸一化的二次場感應電壓，即接收線圈的觀測值。

2.2 TSP法工作原理

TSP是反射地震方法的一種，首先由隧洞后方特定位置小型爆破產生地震波，地震波在存在波阻抗的不均勻地質體中傳播產生反射，然后通過隧洞后方的傳感器接收返回的地震波實現前方地質條件與水文地質條件的觀測[8]。

與常規地面地震勘探關注介質垂直變化不同，TSP更多關注的是介質的水平變化情況。為了從地震記錄中獲得隧洞前方反射波信息，在數據處理過程中的上下行波分離并保留下行波（負視速度）處理本質上就是壓制來自測線垂向上的信息而保留來自水平方向上的反射信息，根據反射時距曲線的負視速度特征采用了線性Radon變換技術進行上下行波分離，從而來提取反射波信息。

3 工程實例

云南某隧道處于地質構造中等復雜程度地區，項目區內主要不良地質現象為巖溶構造區、暗河等。前期勘察工作顯示樁號K48+920的隧道上方188m處可能存在暗河。隧道向大里程方向施工，當掌子面掘進至K48+902位置處，開挖斷面巖體整體為中風化白云質灰巖，巖石呈灰白色、淺灰色，屬較堅硬巖。巖體呈鑲嵌破碎狀、中厚層狀結構。為探明前方不良地質體分布情況，決定同時采用瞬變電磁法和TSP方法，測線布置如圖1、圖2所示。

圖1 瞬變電磁測線布置圖

圖2 TSP儀器布置圖

3.1 初步反演結果

（1）推斷掌子面正前方40m處有巖溶構造發育區及其影響區，該區域位于隧道地面上方20m處。距離掌子面30m的上方和距離掌子面50m的下方顯示有低阻異常體，存在富水帶。

（2）推斷掌子面正前方50m處有巖溶構造發育區及其影響區或者富水區域，該區域位于隧道地面以下25m處。掌子面左前方30m處亦有巖溶構造發育區及其影響區或富水區域。

（3）推斷掌子面正前方40m處有巖溶構造發育區及其影響區，該區域位于隧道地面上方20m處。

（4）從反演得到的視電阻分布特征來看，K48+912～K48+922隧道左側、K48+922～K48+937整個區段以及ZK48+947～ZK48+952左側邊緣存在低阻異常區。推斷該區內為巖溶構造發育區。相比于前兩個區段，ZK48+947～ZK48+952低阻異常特征相對較弱，可能為富水裂隙。此推斷結果與中部掃描結果一致。

TSP法結果為P、S波偏移剖面以及巖石物理屬性剖面，本文僅將主要的P波偏移剖面作為參考。

3.2 構建三維數據體

將瞬變電磁反演結果統一坐標，導入Voxler軟件，并應用反距離權重插值法對數據插值，形成該區域范圍內的三維數據體。顯示數據體中低阻異常的部分如圖3所示。圖中可以直觀地看到2.1中描述的異常區位置以及其在地質體中的空間分布關系。

圖3 瞬變電磁三維數據體

TSP法P波偏移剖面中的值代表該反射層面的波阻抗大小，一般波阻抗越大代表該位置巖體破碎的可能性越高。二維剖面中的反射波為掌子面前方三維構造的響應，因此反射波所對應的反射層面不一定位于正前方，可能向四周偏離。反射地震法假設連續反射波來自同一反射界面，因此假定反射波所在位置存在反射界面，其僅在與隧道開挖的垂直方向有偏離。根據以上可以將P波剖面沿著隧道掘進方向的中軸線旋轉呈圓柱體，其圓柱體與瞬變電磁三維數據相交的部分則是既存在破碎又存在低阻的位置，那么則可以更準確地定位巖溶構造的發育區及其影響區，結果如圖4所示。

圖4 瞬變電磁與TSP法P波三維數據體

4 結束語

隧道超前預報實例說明，前期在瞬變電磁法數據采集中，通過扇形掃描的方式從不同方向采集地質體多個視電阻率二維剖面，以此為基礎構建三維數據體能夠直觀地表現異常體在圍巖中的空間分布。另外結合TSP法等其他同等探測范圍的物探方法能夠更準確地定位異常位置，解決物探中的多解性問題。