瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用

李枝文

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 404100)

1 瞬变电磁法基本原理及观测系统布置方式

瞬变电磁法的激发场源通常有两种，一种是接地电极形式的电流源，另一种是回线形式的磁源。以下以理想条件下的瞬变电磁响应为例，探讨使用回线装置的磁偶源激发的瞬变电磁场，进而简要阐明其探测的理论基础。

假设在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线装置，同时在回线中供以阶跃脉冲电流

(1)

在持续稳定供电之前(t<0时)，一个稳定的磁场会在回线装置四周的大地和空间建立起来，如图1所示。

图1 矩形框磁力线

若在t=0时刻，突然断开电流，在一次场断电后，感应的二次场就会在地下介质中产生，由于感应电流在良导电介质会产生明显的热损耗，二次场基本上呈指数规律随时间衰减，这样就形成了瞬变电磁场。二次场的主要来源是良导体介质内产生的感应电流，因此它含有地下介质相关的重要地质信息，尤其是含水体等良导体信息。利用回线装置接收二次场数据，对采集到的数据进行处理和解释，可以推断地下介质和相关物理参数情况。

瞬变电磁在超前探测应用中通常采用多匝重叠回线装置的装置形式，发射线框采用多匝1.5 m×1.5 m矩形回线。为了多角度综合判断前方地质情况，现场探测采用纵向、横向和沿着掌子面前方逐点探测三种方式扫描，纵向方向扫描上下各60°范围，每10°一个测点，共13个测点；横向方向扫描左右各60°范围，每10°一个测点，共13个测点，横向共采集仰角0°、仰角30°两个方向上的数据；掌子面正前方离底板约2 m布置一条横测线，每隔2 m探测一次。现场观测系统布置方式示意图如图2～图3。

图2 掌子面纵向扇形探测示意图

图3 掌子面横向扇形探测示意图

2 瞬变电磁法的资料解释

渝广高速公路华蓥山隧道位于重庆市北碚区静观镇，隧道地质条件非常复杂，隧址区岩溶非常发育，溶蚀洼地、溶洞、暗河等不良地质在隧道开挖过程中均可能出现，且地下水补给充足。为了初步查明掌子面前方地层含水情况，考虑将瞬变电磁法应用到实地探测中。探测时掌子面所在桩号为Z2K26+221，掌子面岩性为泥灰岩，围岩节理、裂隙发育，方解石充填，层理清楚，围岩干燥。

瞬变电磁法的资料解释通常包括以下几步：首先对现场采集到的数据进行降噪处理，视电阻率曲线依据晚期场公式计算得到，然后进行时深转换可以得到各条测线的视电阻率剖面图，最后依据探测区域的电性剖面图同时结合地质资料进行综合分析解释，可以定性推断地层含水区分布状况。

(1)纵向扇形探测情况

现场采集数据经过数据编辑、滤波处理、视电阻率计算、时深转换等步骤，可得到如图5视电阻率等值线图。由图4可知，掌子面正前方88～100 m、拱顶方向0～20 m范围内视电阻率相对较低，推测该区域为岩溶发育含水区域。

图4 纵向扇形探测视电阻率等值线图

(2)横向扇形探测(仰角0°)探测情况

横向扇形探测数据经过数据处理后，可得如下图5视电阻率等值线图。由图5可知，掌子面正前方90～100 m、左侧10 m～右侧38 m范围内视电阻率值相对较低，推测该区域为岩溶发育含水区域或岩溶裂隙含水带。

图5 横向扇形探测(仰角0°)视电阻率等值线图

(3)横向扇形探测(仰角30°)探测情况

横向扇形探测数据经过数据处理后，可得如图6视电阻率等值线图。由图6可知，掌子面正前方92～100 m、左侧0 m～右侧30 m范围内视电阻率值相对较低，推测该区域为岩溶发育含水区域或岩溶裂隙含水带。

图6 横向扇形探测(仰角30°)视电阻率等值线图

(4)掌子面正前方探测情况

掌子面正前方探测数据经过数据处理后，可得如图7视电阻率等值线图。由图7可知，掌子面正前方100 m范围内未见明显低阻异常。

图7 掌子面正前方视电阻率等值线图

3 结论与建议

(1)根据物探成果并结合地质资料综合分析，可推断得到以下几点结论。

①掌子面正前方88～100 m、拱顶方向0～20 m范围内(桩号Z2K26+133～Z2K26+121区域)视电阻率相对较低，推测该区域为岩溶发育含水区域，主要来自拱顶方向。

②掌子面正前方90～100 m、左侧10 m～右侧38 m范围内(桩号Z2K26+131～Z2K26+121区域)视电阻率值相对较低，分析为岩溶发育含水区域；掌子面正前方92～100 m、左侧0 m～30 m范围内(桩号Z2K26+129～Z2K26+121区域)视电阻率值相对较低，推测该区域为岩溶发育含水区域或岩溶裂隙含水带。综合分析，在掘进到上述区域附近时即桩号Z2K26+133～Z2K26+121段施工可能发生突水突泥等危险，需采取相应安全措施。

(2)建议在物探异常区，应采用超前钻探手段对物探结果进行验证，进一步修正前方预测的地质情况，特别是在施工穿越受岩溶或裂隙发育影响的Z2K26+133～Z2K26+121段，主要为来自拱顶和左边墙方向的影响，应优化施工工艺，短进尺，强支护，提前做好防突泥、防突水、防坍塌等相关应急措施。

(3)施工中如出现涌水量突变的情况，应及时撤离人员，并向有关领导汇报。