瞬变电磁法在隧道溃口治理检测中的应用研究

邢修举 蒋齐平

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

隧道坍塌引起的涌泥涌水是隧道开挖过程中面临的重大安全风险[1-2]。对于坍塌到地表的大埋深隧道，在注浆加固后，再次开挖时能否达到隧道断面开挖支撑强度，隧道顶部是否还会产生溃泥等问题需要合适的检测方法来进行评估[3]。目前，常用的注浆后检测手段有：分析法、检查孔法、地质雷达法[4]、瞬态瑞雷面波法[5]、声波探测法[6]等。分析法是一种估算法，不能全面分析注浆的均匀性；检查孔法费时费力；地质雷达、瞬态瑞雷面波和声波探测法不能对围岩富水性做出有效评价，也不能进行三维立体探测。

瞬变电磁法是一种快速、高效的非接触式物探方法[7-8]，其多匝小回线具有一定的方向性，可用于检测隧道塌陷段注浆前后的围岩情况。该方法探测速度快，探测范围大，同时减少了钻孔取芯的数量，为隧道注浆效果的快速检测提供了一种有效手段。

1 瞬变电磁探测技术

1.1 探测原理

在工作面布设发射线圈，线圈中的周期性电流产生一次电磁场，接收线圈接收一次场引起的工作面前方及周围岩体产生并随时间变化的二次场响应信号，二次场信号与对应的岩体导电性呈正相关关系，通过对接收资料的处理、分析和解释，达到探测地下地质情况的目的[9-10]。

在隧道内溃口被封堵后，注浆前后岩体的视电阻率值会发生变化，为以岩石导电性差异为物理基础的隧道瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件。通过对隧道工作面超前探测视电阻率数据的分析和解释，可推断工作面前方围岩的电性分布规律。

受隧道全空间影响，接收到的电磁感应信号为隧道工作面拱顶、底部、侧边墙周围空间的综合电磁感应，隧道内瞬变电磁响应可近似等效为同时向上、向下及向外扩散的电流环，即双“烟圈效应”[11-12]，如图1所示。

图1 隧道瞬变电磁烟圈效应示意

1.2 隧道工作面超前探测技术

利用多匝小回线线圈具有一定方向性的特征，可对工作面前方岩体进行多方向、多角度的探测。在工作面正中心、距离工作面0.5 m、距离隧道底部1.5 m位置布置中心回线装置，在水平方向探测自隧道左侧与开挖方向左侧60°到右侧60°(等间隔15°)的扇形区域，在垂直方向探测自隧道顶部与开挖方向上方30°到底部30°(等间隔10°)的扇形区域(如图2所示)，用以综合判断工作面前方、顶部、底部及边墙的信息，参数如表1所示。

表1 隧道工作面瞬变电磁法探测方向设计

注：剖面命名中V和H代表“垂直”和“水平”含义，数值代表夹角(下负上正，左负右正)。

图2 隧道工作面探测断面角度示意

1.3 数据的处理显示技术

仪器采集到的原始数据是时间-感应电动势数值，后期需处理成深度-视电阻率值。

(1)数据前期整理

对原始数据进行断面分解，剔除重复点，通过数字滤波等校正方法，使测量数据向理论数据靠近。

(2)视电阻率值和深度的计算

视电阻率使用晚期视电阻率计算公式，深度计算使用隧道所在地区的经验公式。

隧道全空间瞬变电磁视电阻率计算公式[13-14]

(1)

式中，C为全空间校正系数；FS与JS分别为发射与接收回线等效面积；UV为接收的归一化二次场电位；t为接收的二次场衰减时间。

隧道全空间瞬变电磁深度计算公式为[15]

Hf=0.61×(IFs/η)1/5

(2)

式中，I为发射电流，FS为发射回线等效面积，ρ为t时刻计算的视电阻率，η为未供电激励时接收回线单位面积接收到的干扰信号。

(3)成果图形绘制[16]

先绘制二维的扇形断面图，与已知的地质条件进行对比并调整参数；将常规的二维扇形坐标转换成三维立体坐标，将每个点的X、Y轴坐标换算成对应的空间立体坐标(视电阻率值不发生变化)，从而绘制三维立体空间异常图。三维立体图能够以多视角观测异常体在探测空间的范围，更好地显示异常体的位置。

2 注浆前后效果评价依据

在仪器设备性能完好的情况下，在隧道工作面同一位置设定相同的仪器参数和探测角度，进行注浆前、后的探测，将人为因素对数据质量和一致性的影响降低到最小。

注浆前，工作面前方溃塌区域泥水、碎岩等相对稳定时，在资料解释成果图中视电阻率等值线相对应的位置多会呈现凹陷的相对低阻区域；注浆后，注浆充填区视电阻值变大，资料解释成果图中视电阻率等值线会呈现凸起形态。由于是多点、多方向的探测，如果注浆效果不好，视电阻率值及等值线均会有较明显的反映。

3 应用效果分析

3.1 工程概况

荆西隧道位于福建省三明市市郊(里程DK91+070～DK94+691)，进口位于三福水泥有限公司附近，出口位于莘口镇，全长3 621 m，最大埋深223.9 m。区域地质资料及勘察资料显示：隧址区DK92+300、DK93+650附近发育2条侵入接触带，隧道出口段DK94+515前后发育岩性不整合接触带，分别为燕山早期花岗岩与泥盆系上统桃子坑组石英砂岩夹粉砂岩侵入接触带，以及泥盆系上统桃子坑组石英砂岩夹粉砂岩(小里程)与下古生界罗峰溪群变质砂岩(出口段)不整合接触带，隧道未现断层迹象。

该隧道施工至DK93+715处发生多次涌水涌泥，引起隧道地表塌陷，对施工安全威胁极大。现场工作面围岩及前期现场超前地质预报情况显示：隧道进口端工作面里程DK93+715处于花岗岩与石英砂岩夹粉砂岩侵入接触带，地质条件较差，工作面地层呈土状，开挖过程中多次发生涌水涌泥；参照超前水平钻探资料及TSP测试资料，进口段围岩受侵入接触带影响，岩体破碎，风化不均匀，层间裂隙水发育。DK93+698～+785段围岩以V级为主，纵波波速为1.7～2.2 km/s；DK93+785～+853段纵波波速为2.4 km/s。

3.2 溃口治理

荆西隧道溃口发生后，整个隧道充填了风化碎岩并引起开挖段的坍塌，该段埋深超过180 m且塌陷至地表，从地面治理工程难度极大。决定在DK93+691处打设3.5 m厚的钢筋混凝土封闭墙，通过平行注浆及架设管棚小循环的方法向前开挖。

3.3 探测效果分析

2016年9月26日，在封闭墙打设完成后，进行了第一次瞬变电磁法探测。仪器为YCS2000型瞬变电磁仪，采用中心回线装置，发射电流为3 A，接收等效面积为450 m2。仪器分别布置于隧道中心、距离工作面0.5 m、距离底部1.5 m，自隧道左边墙到右边墙(水平方向)、隧道拱顶到底部(竖直方向)，装置中心位置保持不变。依据工作面现场情况，设计的探测角度和探测断面参数如表1所示。2016年12月28日，在注浆后，进行了第一次检测，为保证测量效果，探测位置和探测角度和2016年9月26日一致。

为了方便对比，仅选取仰角30°探测方向和顺隧道开挖方向两个探测断面结果进行比较，如图3和图4所示。

图3 工作面注浆前仰角30°和顺开挖方向视电阻等值线

图4 工作面注浆后仰角30°和顺开挖方向视电阻等值线

图3是荆西隧道DK93+691工作面未注浆前的瞬变电磁探测成果。在拱顶30°探测方向：隧道左侧25 m～右侧25 m，60 m深度范围内，视电阻等值线呈现凹陷状，结合已知条件，可推测该区域对应隧道溃塌区且具有较强的富水性；顺隧道开挖探测方向：隧道左侧20 m～右侧20 m，60 m深度范围内，视电阻等值线呈现凹陷状，可推测该区域对应隧道溃塌区且具有较强的富水性。

图4是荆西隧道DK93+691工作面注浆后的瞬变电磁探测成果。对比注浆前图3的视电阻值和等值线，图4中拱顶30°探测方向，在隧道左侧10 m～右侧10 m(图中黑色闭合曲线范围)，同探测深度情况下，视电阻率值较明显的变大，等值线呈现凸起状；顺开挖探测方向也有较明显的视电阻率值变大和等值线凸起趋势。

将注浆前的7个探测断面和注浆后的7个探测断面分别进行综合处理。将二维坐标系下的数据点，通过坐标转换，离散到工作面前方的三维立体空间中，如图5所示。图5中立体图均以隧道工作面中心为坐标原点。图5(a)是注浆前视电阻率值为10 Ω·m的等势面，等势面后(向深部均小于该值)，特别是顶部视电阻率值较低；图5(b)是注浆后视电阻率值为10 Ω·m的等势面，洞轴线20 m范围内视电阻率值明显升高，仅在拱顶部分区域小于10 Ω·m。

图5 注浆前后视电阻率值等势面的分布

依据探测结果，继续向拱顶以20°角增加注浆量，并加以密集管棚支护。现在隧道已顺利贯通，为以后隧道灾害的治理提供了新的检测技术。

4 结论

(1)在隧道工作面狭小的空间内，通过合理的设置，能够实现多方向、由点到面、由面到体的瞬变电磁无损检测。

(2)瞬变电磁法是一种对围岩视电阻率变化较灵敏的探测技术，实践证明，该方法对此类地质问题是一种高效的技术手段。

(3)瞬变电磁法是一种多角度、多方向的探测技术，可将探测区域的成果进行三维立体显示，使资料更加形象直观，方便对地质体的解读和后期的判别。