隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中等值反磁通瞬變電磁法的應(yīng)用研究

何宇

云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南 昆明 650011

引言

近年來，隨著巖溶與富水地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育隱伏的大埋深隧道越來越多，對(duì)隧道的修建和運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重的安全隱患。在實(shí)際勘測(cè)工作中，設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘測(cè)受經(jīng)費(fèi)、工期、方法的限制，勘測(cè)精度受到較大影響，就常規(guī)物探方法而言：受高壓電干擾，淺層區(qū)域的大地電磁法分辨率難以滿足；地震波法受地形地貌影響，抗干擾性不強(qiáng)；地雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)的深度受到一定的限制；傳統(tǒng)的瞬變電磁法操作起來比較煩瑣，還存在探測(cè)盲區(qū)[1]。因此，尋找一種針對(duì)前期勘察及施工期探測(cè)的新的合適的物探方法，就顯得尤為重要。

瞬變電磁法是地球物理勘探的一種，因其對(duì)地下水具有較強(qiáng)的敏感度，常用于勘探巖溶發(fā)育區(qū)、含水節(jié)理裂隙發(fā)育帶等。目前，瞬變電磁法已在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面有所建樹。

2014年，席振銖教授以等效消除收發(fā)線圈互感的等值反磁通原理，提出了一種淺層瞬變電磁法。理論和實(shí)踐表明，該方法不受地形地貌影響且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能有效消除接收線圈本身的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在地下獲得純二次場(chǎng)響應(yīng)，解決了傳統(tǒng)瞬變電磁法存在探測(cè)盲區(qū)這一重大技術(shù)難題，目前，該方法已進(jìn)入了推廣應(yīng)用階段。本文結(jié)合云南某在建高速公路隧道應(yīng)用等值反通瞬變電磁法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，同時(shí)對(duì)照傳統(tǒng)的超前預(yù)報(bào)方法（TGS），驗(yàn)證其方法的有效性和優(yōu)越性。

1 等值反磁通瞬變電磁原理

瞬變電磁法（Transmatic Emagnetic Magnetics，TEM）是一種通過觀測(cè)二次磁場(chǎng)，以不接地的回線或接地長(zhǎng)導(dǎo)線供雙極性脈沖電流激發(fā)電磁場(chǎng)，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體分布形態(tài)的方法[2]。等值反磁通瞬變電磁法和地面等值反磁通瞬變電磁法的原理是一樣的，都是瞬變電磁法，其原理是等值反磁通，如圖1所示。

圖1 等值反磁通瞬變電磁原理示意圖

圖2 測(cè)線布置圖

等值反磁通瞬變電磁裝置中的瞬態(tài)脈沖電磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)自布設(shè)于地面的雙線圈，在瞬態(tài)脈沖斷電的瞬間，近地表面疊加的磁場(chǎng)最大，因此感應(yīng)渦流的極大值面集中在近地表面，在相同的變化時(shí)間下，隨著關(guān)斷間歇的延時(shí)，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強(qiáng)，在近地表面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)地表感應(yīng)式渦流逐漸衰減，產(chǎn)生新的渦流極值面，并逐漸擴(kuò)散到離發(fā)射線圈較遠(yuǎn)的深部和邊部，即“煙圈效應(yīng)”[3]。由于反向?qū)ε即旁丛诮邮站€圈內(nèi)產(chǎn)生等值的反向磁通，疊加后一次場(chǎng)總磁通始終為0，因此在發(fā)射電流關(guān)閉前后沒有一次場(chǎng)磁通變化，等效地消除了收發(fā)線圈的互感，從而解決了瞬變電磁法早期信號(hào)受互感影響嚴(yán)重的難題，由于這種方法消除了收發(fā)線圈之間的互感，從而解決了瞬變電磁法早期信號(hào)受互感影響；同時(shí)，相對(duì)于地面瞬變電磁法，坑道瞬變電磁法通過增加回線匝數(shù)或增加發(fā)射電流的方法來增強(qiáng)二次場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度，以克服隧道頂板和側(cè)面的影響，且發(fā)射和接收裝置采用的是多匝小回環(huán)裝置，從而提高瞬變電磁法的順層或垂直探測(cè)深度。對(duì)其早期信號(hào)受互感影響而增加的收發(fā)線圈互感導(dǎo)致淺部探測(cè)“盲區(qū)”的情況，目前學(xué)者主要從資料處理方面提出各種修正演算法，以解決此問題。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

云南某高速公路隧道位于大理境內(nèi)，沿線地形起伏較大，沿線穿越2座山脊及1條沖溝，洞身段沖溝溝谷高程在1437～1513m之間，溝谷寬70～86m，山頂高程在1609～1778m。該公路隧道的最大埋藏深度為241m的公路隧道后段。

隧道所穿越圍巖巖性為白堊下統(tǒng)普昌河組中部泥巖、鈣質(zhì)泥巖夾粉砂巖和泥灰?guī)r（K1P2），后為白堊系下統(tǒng)普昌河組上段泥巖和粉砂巖（K1P3），隧道穿越地層巖性總體上以泥質(zhì)巖為主，巖層產(chǎn)狀為252°∠54°。隧道沿線結(jié)構(gòu)相對(duì)發(fā)達(dá)，共有3條III級(jí)斷裂在前期勘測(cè)鉆孔中暴露。斷層走向與以中等傾角為主的公路隧道走向呈大角度交叉。地下水類型以點(diǎn)滴狀或淋雨?duì)罨鶐r裂隙水為主。

隧道掘進(jìn)至K48+318附近處，主要構(gòu)造面起伏/粗糙、發(fā)育、微張、多為泥質(zhì)充填。掌子面濕潤(rùn)，拱頂及右壁滴水如雨，左壁出水如線；圍巖不穩(wěn)，自穩(wěn)時(shí)間短，毛洞巖塊易脫落。采用等值反磁通瞬變電磁地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)（ADTEM-18）進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，以便在施工過程中及時(shí)制定預(yù)案和措施。

2.2 測(cè)量?jī)x器

此次提前地質(zhì)預(yù)報(bào)所用儀器為由湖南五維地質(zhì)科技有限公司研發(fā)出品的ADTEM-18等值反磁通瞬變電磁地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

2.3 測(cè)線布置

測(cè)線掌子面設(shè)水平線2條，測(cè)點(diǎn)間距0.5m，水平線長(zhǎng)7m，分別距底板高1.0m、2.0m；測(cè)量時(shí)，從測(cè)量起點(diǎn)按0.5m點(diǎn)距測(cè)量ADTEM-18等值反磁通瞬變電磁地質(zhì)超前探測(cè)系統(tǒng)的收發(fā)線，緊貼掌子面至測(cè)線端點(diǎn)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

ADTEM-18等值反磁通瞬變電磁超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)由ADTEM天線組成，儀器主機(jī)，12V外置電池，操作PC。將ADTEM接收天線調(diào)整至零磁通面，采集數(shù)據(jù)時(shí)盡量水平放置天線，盡量保持天線與主機(jī)的距離和操作PC的距離。根據(jù)探測(cè)深度選擇發(fā)送基頻6.25Hz，儀表關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)度為40μs，疊加周期為1600次，發(fā)送電壓為12V，最大發(fā)送電流為10A。

2.5 數(shù)據(jù)處理與對(duì)比

由于不良地質(zhì)體和含水構(gòu)造影響，發(fā)送電源斷開時(shí)發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在近掌子面表面處最大，因此，在變化時(shí)間相同的情況下，在近掌子面產(chǎn)生的感應(yīng)渦流形成極大值面，同時(shí)，該處產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也最強(qiáng)[4]。隨著斷續(xù)延時(shí)產(chǎn)生新的感應(yīng)式渦流達(dá)到極大值，擴(kuò)散速度和極大值的衰減幅度也隨著掌子面前方的電阻率逐漸向遠(yuǎn)離垂直發(fā)射線圈的方向擴(kuò)散。因?yàn)榇蟮亟橘|(zhì)的平均電導(dǎo)率一般情況視為常數(shù)，局部地質(zhì)體的電導(dǎo)率變化和隧道埋深變化成為影響渦流極大值面擴(kuò)散速度和極大值的衰減幅度變化的主要因素[5]。在不考慮其他因素的情況下，一般情況下，在擴(kuò)散速度和極大值方面，地質(zhì)體的電導(dǎo)率越大，衰減就越小。

經(jīng)過平滑濾波、數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)整理等預(yù)處理后，從等值反磁通瞬變電磁超前探測(cè)電阻率深度剖面圖，以及與TGS隧道地震波法中橫波波速的對(duì)比可以看出，掌子面前方有3個(gè)橫波低速異常，分別位于掌子面前方30m、40m、60m，而橫波波速低速異常區(qū)域瞬變電磁也同時(shí)存在相對(duì)低阻的異常，這說明橫波波速的低速區(qū)與瞬變電磁的相對(duì)低阻區(qū)是一致的，但從細(xì)節(jié)處來看，由于等值反磁通瞬變電磁的收發(fā)天線相對(duì)較小，能夠在掌子面上實(shí)現(xiàn)密集采集，因此，瞬變電磁可以反映掌子面前方豐富的地質(zhì)變化[6]。

3 結(jié)束語

等值反磁通瞬變電磁隧道超前預(yù)測(cè)主要是根據(jù)掌子面前方的構(gòu)造及含水情況，利用電磁感應(yīng)原理將二次場(chǎng)衰減電壓轉(zhuǎn)換成電阻率參數(shù)進(jìn)行判斷，ADTEM-18所反映的低阻異常與TGS地震波法的橫波波速異常區(qū)相比，基本一致。這說明ADTEM-18在隧道超前預(yù)測(cè)中是有效的，其次ADTEM可以在掌子面上實(shí)現(xiàn)密集，在掌子面上更能體現(xiàn)出細(xì)節(jié)變化。

等值反磁通瞬變電磁法，適合應(yīng)用于山區(qū)公鐵隧道勘測(cè)檢測(cè)。從反演得到的電阻斷面圖可以看出，其獲得的淺部信息豐富，分辨率高。

傳統(tǒng)的物探方法由于一些復(fù)雜地形、環(huán)境的工程，施展不便捷，也不一定能取得很好的效果。但ADTEM-18采用了更小的發(fā)射接收一體式線圈，該線圈設(shè)備體積小、重量輕，便于野外采集，同時(shí)解決了傳統(tǒng)TEM法探測(cè)淺層區(qū)域存在的困難，使探測(cè)精度得到了提高。

在等值反磁通瞬變電磁法的資料解釋中，要得到比較準(zhǔn)確的勘探結(jié)果，需要將其探測(cè)成果與地質(zhì)資料，以及其他物探資料進(jìn)行綜合比較分析和解釋，充分考慮物探成果的多解性[7-8]。