隧道勘探中瞬变电磁法应用研究

（山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100）

目前对于高速公路、油气输送管道、地铁、隧道工程等都作为控制性工程，尤其对于复杂地形条件和地质结构时，较差的围岩隧道地质工程情况，隧道开挖施工也会在一定范围内形成围岩松动区域，对围岩局部地质结构产生严重破坏[1]。瞬变电磁法我国已成功应用在地矿、水利水电系统的找矿、找水、岩溶勘探等工程中，近年来在交通系统已逐步引进并得到推广，主要用于路基勘察、隧道施工的超前预报，适用于山区隧道类勘探工程[2,3]。对瞬变电磁法原理、工作、特点、资料等进行概述，由于具有发现异常能力强、探测深度大、受地形影响小、设备轻、效率高等优点，能较好地适合于公路深埋长隧道的勘探。所以在文中结合隧道采空区的实际情况展开勘探工作。本文提出瞬变电磁法运用于隧道勘探中，对技术应用情况展开分析。

1 瞬变电磁法概述

该方法在应用中作为基于电磁感应原理，所形成的从时间域人工源探测技术手段。能够运用磁源、电偶源，成功向地下完成一次性脉冲磁场的成功发送，并在激发作用下，地质体内存在的激励感应涡流，会以时间的具体改变情况随之感应电磁场[4]。由于在二次场内包含丰富的地下地质电信息，对于一次脉冲磁场间歇过程中，可以充分运用接地电极与线圈实现对二次场的有效观测，并提取分析相关信息，从而实现对底下地质探测。

以电磁感应原理为依据，无论频率域或时间域电磁场，都应当以Maxwell方程式为依据，也为了便于获得时间域电磁场，需要以Maxwelle方程求得频率域电磁场，并经富氏变换求解时间域瞬变电磁场。基于垂直磁偶源条件，均匀半空间二次电位表达公式如下：

式中：发射磁矩用M表示，发送电流用I表示，发回线面积用ST表示；均匀半空间电阻率用ρ表示；电圈接收有效面积用q表示。

2 应用隧道勘探地质及物理特征

本次隧道勘探工区经前期调查达1200m～1500m高，呈现东北高、西南低的地貌倾斜趋势。由于产生的水流向源侵蚀作用，形成了数条树枝形状的冲沟地貌，沟谷、沙丘、丘陵地势结合地形地貌十分复杂化。本次综合运用勘探技术手段的测区，地貌呈侵蚀性丘陵，沿沟谷外露，呈低山丘陵地貌呈现较大的隧道线位起伏。能够发现陡峭悬崖，并且可见粉砂岩、砾岩、花岗岩、变质细砂岩存在沟壑内。

3 综合勘探方法及参数选择

结合该工区的实际情况在运用瞬变电磁法时，从电性角度看，区内第四系覆盖层、全风化岩石、含水构造带的电阻率较低，＜40Q·m，而强风化岩石的电阻率约为40Q·m～200Q·m，中风化岩石的电阻率约为200Q·m～400Q·m，弱风化岩石的电阻率＞400Q·m。它们之间的电阻率差异明显，可见，该区具备开展TEM的电性条件。

3.1 瞬变电磁法参数设计

在运用瞬变电磁法开展本次隧道勘探野外工作中，具体流程（见图1），首先确定该工区的异常完成性及周围背景场，然后确定剖面点距以异常完整性达到3个以上，并在发现异常时进行密切观测。在开工收工后，检查仪器设备保证设备合格性，并根据有关规定完成操作，保证同测区的仪器参数等同。在线框布设过程中，需要在地面按照S型铺设，一旦遇到可疑点、突变点、异常点，要进行重复观测，或检查是否为假异常。选用ProTEM系列（加拿大）瞬变电磁仪设备，设定3A以上的仪器设备发射电流参数，控制通道灵敏度在0.5μV以内，输入等效噪声在1μV以内。水平铺设现况，控制摆动幅度在回线边长5%以内，还要控制在5%以内的线框角点位误差。最终确定10m的测点点距，分别为200m×200m、20m×20m的发射、接收线框。

图1 瞬变电磁法野外工作示意图

3.2 数据处理分析原则

运用瞬变电磁法处理数据时，需要对外部电磁对数据造成的干扰快速消除，处理中校正地形并对地形地表产生的数值影响快速消除，尽快恢复地下导电地质体瞬变相应的变化规律特点，结合顺便响应具体特征结构，成功消除外部电磁噪声信号，并对固有的感应信号衰变规律特征逐渐恢复，来达到瞬变响应的反演、成像需求。运用EMIGMA软件处理获得的勘测数值，完成数据编辑后构建初始模型，并对该模型实施一系列迭代演练，最终控制反演拟合误差小于5%。通过采用仪器配套携带画图软件，完成电阻率-频率曲线图绘制，并逐个纠正曲线畸变点。之后建立而为模型，并作二维反演处理过程后，绘制反演图结合测试工区的电阻率异常情况，对地质的界限、构造、地下水和断层情况进行分析。

4 隧道综合勘探结果

每天施工前都对仪器进行检校，达到仪器检校标准后才投入到施工中，施工中对可疑点、异常点都进行了多次重复观测，衰减曲线正常才记录。

图2 瞬变电磁法主测线电磁电阻率等值线断面

（见图1）作为采用瞬变电磁法获得的主测线电磁电阻率等值线断面，可以发现主要对于+325～+425这一段，+525～+850这一段，以及+950～+1100这一段发生剧烈明显的横向电阻率变化情况，切断了横向电阻率连续性，产生异常低阻区域。与前期调查该工区的实际情况相关资料，发现主要是开采煤层出现积水情况。布设与注册线平行的旁侧线，两线间隔30m，根据该成果图对比可以发现几乎一致的异常所在位置。

图3 瞬变电磁法二次电位剖面

（见图3）作为瞬变电磁法获得的二次电位剖面与实际勘探现场情况结合，发现具备较大相似度的电性结构。根据主测线可以发现呈现高-低分布，不同段的地质情况都能够结合工区实地资料加以明确。横向上从左至右看，视电阻率从低（10Q·m）至高（800Q·m）再至低（10Q·m），视纵向电异率由高（＞15s）至低（＜5s）再至高（＞15s），反映了隧道进口至中部再至出口，地层风化由强变弱再至强的地质分层特点。

根据该图可看出，隧道共有6个较明显的异常地段，二次电位及视电阻率等值线异常突变。由于K13+100～+200地下泉水丰富，推测该异常为地下水所致，而其他异常则为断层所致。

5 结语

综上所述，在隧道勘探工作中通过运用瞬变电磁法，能够获得有效的隧道采空区勘探结果。但是需要注意的是在运用瞬变电磁法时，仍然无法获得准确的不良地质体定位结果，只有进一步深入研究该技术理论，才能够进一步提高瞬变电磁法的结果准确性。