基于共轴偶极装置的瞬变电磁超前地质预报方法与应用

史存焕,刘黎东，贾祥雨

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 引 言

瞬变电磁法经过几十年的发展，在理论和实际应用方面取得了较多的成果，成为了解决各种地质问题的一种有效方法[1,2]。该方法由于对良导体特别敏感，在煤田富水区范围、金属矿勘查以及工程地质领域得到了广泛的应用[3]。因此许多学者对该方法进行了研究，包括全区视电阻率计算[4-7]以及拟地震解释等领域[8]。

在铁路隧道施工领域，对于地下水的预报始终不能得到完美的解决。现有的几种常用地质预报方法，均对地下水的探测精度不高。而将瞬变电磁法应用于煤矿井下水文勘查已有十多年时间，其理论及应用均比较成熟[9]。

随着我国隧道桥梁等建设规模的不断扩大，越来越多的突水、突泥等地质灾害给施工安全带来了严重隐患。对于隧道建设过程中涌水突泥灾害源的探测问题，需要进行深入研究，特别是隧道水体灾害超前预报方法，具有重要的现实意义[9]。

瞬变电磁法具有高定向性、高分辨率、有效探测距离大、物探结果精度高、低阻体反应敏感、成图简单等优点，其作为一种隧道掌子面前方水体病害探测方法，在隧道超前预报方面得到了广泛的应用[10-13]。但是，瞬变电磁隧道超前预报仍主要沿用地面的中心回线装置[14, 15]，该方法采用多匝小回线发射，互感影响严重[16, 17]。因此，本文提出一种共轴偶极的瞬变电磁方法，由于发射回线和接收回线分离，线圈之间互感可大大减少。目前几乎无人将该装置应用于铁路隧道内的超前地质预报中，因此，利用瞬变电磁法共轴偶极装置进行隧道内的探水是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质体如岩溶洞穴与通道、深部不规则水体等。

2 方法技术

2.1 方法原理

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)的基本原理为电磁感应定律[1, 2]，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，在其周围空间产生一次电磁场，并在地下介质中产生感应电流；断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。

2.2 观测系统布置

瞬变电磁法观测系统主要由数字接收机、接收线圈、发射机、发射线圈、系统软件及支撑框架组成。在隧道内进行观测时，由于观测空间限制，只能采用偶极方式，进行超前地质预报时，要采用共轴方式，如图1所示，接收线圈位于掌子面，发射线圈位于接收线圈后方6～8 m，观测时保持发射线圈所在平面与接收线圈所在平面平行，且轴线处于同一条直线上。

图1 接收线圈与发射线圈位置关系Fig.1 Position diagram of receiving coil and transmitting coil

采集参数设置：时间门为30，观测时间为15～30 s，发射线圈为2 m×2 m×64匝的正方形激发线框，发射电流为1A, 接收线圈直径1.0m，等效面积31.4 m2，基本频率25 Hz，关断时间150～200 μs；接收线圈位于掌子面。其中等效面积为接收线圈实际面积，其计算方式为：线圈匝数×单圈面积，即SD=N×π×R2。式中，SD为等效面积，单位m2;N为接收线圈匝数;R为接收线圈半径，单位m。

在外业工作时，采用多方位工作方法进行数据采集。每次探测时，在水平方向上，发射线圈与接收线圈以左偏45°为基准，在发射线圈与接收线圈上倾45°、上倾30°、上倾15°、0°、下倾15°、下倾30°、下倾45°时分别采集一个数据点作为一组数据，以同样方法在左偏30°、左偏15°、0°、右偏15°、右偏30°、右偏45°分别采集一组数据，共计采集7组，一共49个数据采集点。数据采集期间接收线圈必须与发射线圈同步偏移，保持二者共轴平行。

图2 现场多方位数据采集示意图Fig.2 Schematic diagram of field multi direction data acquisition

2.3 全空间隧道模型正演

建立全空间三维隧道异常体模型，通过Tetgen软件进行四面体网格剖分。Tetgen 作为一个四面体网格生成器，它的目的是为数值模拟产生合适的四面体网格，通过有限元和有限体积法，对三维物体进行四面体剖分。

首先建立整个空间区域模型，为消除边界效应，该模型需要有足够大的体积。设置边长为20 km的正方体近似作为无限均匀空间，隧道空腔电阻率为108Ω·m的高阻体，背景电阻率1 000 Ω·m的围岩介质。

图3是建立的隧道空间内掌子面前方有一个球体的低阻异常体，球体距离掌子面50 m，半径长20 m，电阻率为10 Ω·m。采用非结构化网格剖分软件Tetgen进行剖分，在异常体附近，如球体及其附近区域网格剖分得比较密，可以提高计算精度。在远离异常体的区域，如果接近边界区域，网格一般会越来越大，因此主要是在保持精度满足要求的前提下减少网格数，节约整个模型的计算时间。

图3 模型示意图Fig.3 Schematic diagram of model

采用共轴偶极装置进行发射和接收，接收线圈靠近掌子面，发射线圈距离掌子面有5 m的距离，经过有限元正演后得到的感应电动势如图5所示。红色虚线是没有球体时的感应电动势，可以看出，在双对数坐标系下，它是一条直线，表明背景均匀，而有球体存在的感应电动势在大约十微秒～几十微秒这段出现向上凸起，说明掌子面前方存在着低阻体，与模型一致，说明该方法计算结果正确，理论上是可行的。同时，也计算了该点的视电阻率，如图6所示，均匀全空间电阻率是1 000 Ω·m， 如红色虚线所示，蓝色的是有低阻球体的视电阻率，明显的向下凹陷，与实际模型一致，说明基于共轴的偶极装置的瞬变电磁方法在理论上可行。由于互感现象是发射和接收线圈匝数多而引起的，实际理论模型难以模拟，这方面可参考相关文献[17]。

图4 网格剖分示意图Fig.4 Schematic diagram of mesh

图5 全空间隧道模型正演感应电动势Fig.5 Voltage of central point

图6 全空间隧道模型视中心点电阻率Fig.6 Apparent resistivity of the central point

3 数据处理关键技术

3.1 数据处理流程

瞬变电磁法的数据处理流程主要为以下步骤：数据质量评价、数据滤波、视电阻率计算、反演、切片提取(图7)。

图7 数据处理流程Fig.7 Data processing flow chart

3.2 反演

3.2.1 反演方法的种类及特点

采用REATEM瞬变电磁处理系统进行反演。该系统是处理瞬变电磁仪器探测数据的专业处理软件，支持国内外多种仪器的数据处理，分为半空间和全空间版本，有多种先进的反演算法，高度自动化、人性化[18-21]。

反演方式分为薄板电导反演、差分电导反演、快速反演、精确反演。其中，薄板电导反演和差分电导反演计算结果为视电导率，快速反演和精确反演计算结果为视电阻率。

薄板电导反演理论基础为“浮动薄板理论”，又称等效导电平面法，是根据视纵向电导曲线特征值直观地划分地层的一种近似解释法。其整体计算精度一般，但电性分层效果较为明显，连续性好，所以较适用于地质剖面划分、大的构造识别等。

差分电导反演是采用有限差分法进行反演：以差商代替微商，通过把连续微分方程转化为离散的差分方程，从而求得原方程近似解。其整体计算精度一般，中浅部效果较为良好。可用于对中浅部信号的对比识别。

快速反演是在实际解释工作中将实测感应电动势转换为磁场，利用磁场计算全区视电阻率，采用“烟圈”反演方法进行全局优化，其反演速度快，直接计算，适应范围广，但精度低，适用于在干扰大的情况下使用。

精确反演同样是将实测感应电动势转换为磁场，利用磁场计算全区视电阻率，不同的是，采用“烟圈”反演方法，进行局部优化，其计算精度高，是推荐使用的算法，但在干扰大时，容易出现数值越界、无解等，计算同样也会放大干扰，抗干扰能力差。

共轴偶极瞬变电磁法以U45(接收线圈与发射线圈上仰45°)状态下的4种反演结果为例，对反演方法的特点进行简要说明。薄板反演和差分反演计算结果为视电导率，其一致性较差；快速反演与精确反演算结果为视电阻率，其一致性较好，如图8所示，前两种方法采用的是电导率参数，后两种方法采用的是电阻率参数，这两个参数是互为倒数的关系。

图8 U45状态下反演结果Fig.8 Inversion results under U45 state

3.2.2 反演模型的建立

在隧道中，用共轴偶极瞬变电磁法对掌子面前方不良地质体进行探测时，发射线圈直立于隧道内，需要进行地下全空间反演。全空间反演考虑了周围空间的综合影响，隧道已开挖段空腔作为高阻体参与反演。根据电磁感应原理，二次场在接收线圈内产生信号电流，所以接收到的信号表征了前后方低阻体的信息，是整个空间共同作用的结果。对瞬变电磁法进行反演分析(反演流程见图9)，最重要的是要建立正确的模型。

3.3 解译原则

1)若掌子面前方存在单一富水溶洞，视电阻率等值线会在溶洞所在区域发生弯曲甚至闭合，且在该处视电阻率值较其他区域明显偏低；

2)若掌子面前方存在多个富水溶洞，视电阻率等值线会在多个溶洞对应区域发生弯曲甚至闭合，且在该处视电阻率值较其他区域明显偏低；

3)若掌子面前方存在较大干溶洞，视电阻率等值线会在溶洞所在区域出现高阻反映；

4)若掌子面前方存在多处含水裂隙(溶隙)，视电阻率等值线会在对应区域发生小范围的闭合，且在该处视电阻率值较其他区域偏低；

5)若掌子面前方无不良地质体，视电阻率等值线基本呈直线，且视电阻率值随深度的增加而均匀增大。

4 案例分析

4.1 与TSP法对比分析

在某隧道平导PDK323+099～+196段施作瞬变电磁法探测，与对应段TSP预报结果及实际开挖情况进行了对比(表1)。

表1 瞬变电磁法与TSP探测预报成果及实际开挖情况对比

从表1的对比结果可知，瞬变电磁法预报成果与实际开挖情况相符，其中TSP在判别围岩完整程度、软硬程度、构造发育及地下水整体发育情况方面有着较好的优势，对于水量的变化基本上判别不出来；瞬变电磁法对地下水发育情况较为敏感，能够判别出地下水发育及水量的变化情况，而对于围岩完整程度、软硬程度、构造发育情况，则不能很好地进行识别。

图10 平导PDK323+099～+196瞬变电磁法探测成果Fig.10 Flat guide PDK323+099～+196 results of TEM

图11 平导PDK323+147.4～+267.4段TSP法探测成果Fig.11 Flat guide PDK323+147.4～+267.4 results of TSP

4.2 与地质雷达法应用对比

在某隧道平导PDZK196+643～+743段与正洞D1K231+530～+430段施工做业瞬变电磁法探测，与对应段地质雷达法预报结果及实际开挖情况进行了对比(表2)。

表2 瞬变电磁法与地质雷达法预报成果及实际开挖情况对比

由表2的对比结果可知，平导PDZK196+643～+743段瞬变电磁法预报成果均与实际开挖情况相符，D1K231+530～+430段与实际开挖情况不相符。其中地质雷达法在判别围岩完整程度、节理裂隙发育情况方面有着较好的优势；瞬变电磁法对地下水发育情况较为敏感，能够判别出地下水发育情况，而对于岩体状况则不能很好地进行识别。

同时，由于瞬变电磁法对低阻体较为敏感，极易受到外界低阻异常(地面积水、金属物体等)干扰，形成假异常，造成对探测结果误判。推测受台车影响，导致D1K231+530～+430段预报成果与实际开挖情况不相符。

瞬变电磁进行隧道超前探测虽然有效，但仍然存在着很多问题，比如各种金属干扰以及交流电的干扰，来自于后方或旁侧不良地质体异常的影响。瞬变电磁法之所以能够探测由浅到深的地下介质，主要是因为其本身频带很宽，难以采用屏蔽天线进行测量，在全空间中测量的信号可能来自接收线圈的后方，即受掌子面后方异常体的影响，这在实际中应该注意。目前在实际施工中主要采取的原则是宁可多报，不可漏报，即使掌子面后方的不良地质体影响，也要进行异常解释。传统的中心回线装置和本文提出的共轴偶极装置都存在类似的问题，但共轴偶极装置瞬变电磁在减小早期的互感方面有较好的效果。

图12 PDZK196+643～+743瞬变电磁法探测成果Fig.12 PDZK196+643～+743 Results of TEM

图13 D1K231+530～+430 瞬变电磁法探测成果Fig.13 D1K231+530～+430 results of TEM

图14 PDZK196+643～PDZK196+736地质雷达法探测成果Fig.14 PDZK196+643～PDZK196+736 Results of Ground penetrating radar method(GPR)

5 结 论

1)首先通过三维有限元正演模拟，验证了基于共轴偶极装置的瞬变电磁隧道超前探测方法在理论上正确可行的，能够作为隧道前方水体灾害的有效超前探测方法。

2)通过实际隧道超前探测实例，说明共轴偶极装置瞬变电磁方法在隧道超前探测中的应用效果，其不仅可以降低互感的影响，提高对浅部介质的探测能力，而且可以对深部不良水体灾害有较好的反映。通过与TSP、地质雷达预报成果的综合对比分析，得出将共轴偶极瞬变电磁法应用于超前地质预报，具有对低阻体(水体)敏感、探测深度大、预报周期短等独特优点。

3)即使采用共轴偶极装置的瞬变电磁装置，也难以消除各种干扰及掌子面后方不良水体的影响，在实际工作中应加强对各种干扰因素的辨识，同时需要进一步研究掌子面后方不良水体对瞬变电磁响应的影响规律，以最大限度减少解释的多解性。