瞬变电磁法在隧道工程地质风险预测与评估中的应用

张子强

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

1 引 言

我国作为世界上地质条件最为复杂的国家之一，岩溶、地下水是国内隧道工程中不可避免的问题[1-3]。它们会造成隧道中涌水、突泥等严重事故，延缓施工进度，进而造成巨大的施工安全隐患以及无法估量的经济损失[4-7]。目前，隧道施工过程中的超前探测主要依靠地震波反射法、地质雷达、超前钻探等方法，无法针对地下水、岩溶等低阻异常体的特征进行精确预报[8-11]。

瞬变电磁法以岩石与低阻异常体之间的导电性差异为物质基础，利用低频电磁信号穿透能力强、对低阻体反映灵敏、不受高阻体屏蔽及探测深度大等特点，通过视电阻率(反映岩石和矿石导电性变化的参数，定义为按测定均匀水平大地电阻率的方法和计算公式求得的电阻率，单位:Ω·m)值的差异及视电阻率等值线图变化趋势进行低阻异常体的精确探测[12-15]。

本文通过瞬变电磁法在地下水超前探测、地下水通道注浆封堵效果验证和岩溶探测中的工程实例，证明了瞬变电磁法对隧道工程地质风险的预测和评估具有良好的效果。

2 方法原理

瞬变电磁法通过不接地回线(磁源)或者接地线源(电偶源)向前方发送一次脉冲电磁场，在该一次场的激发下，探测面前方各个地质体激励出感应涡流，进而产生随时间变化的感应电磁场，即二次场。

在一次脉冲磁场的断电期间，利用二次场包含的丰富地质体地电信息，采用接地电极观测二次涡流场，并通过提取、分析二次场随时间的衰减特征等响应信息，达到探测、区分目标地质体的目的[16-19]。方法原理示意如图1所示。

图1 瞬变电磁法工作原理示意图Fig.1 Working principle of the transient electromagnetic method

3 工程实例

3.1 富水段落预报

3.1.1 工程概况

某新建高速铁路隧道一号斜井，里程XDK0+300～XDK0+150，依据设计，如图2所示。该段洞身为厚层砂岩，上覆地层中存在一砾岩夹层，厚约5 m，上覆灰岩，为典型储水层，如砂岩存在较大节理裂隙进而形成导水通道，则易发生隧道突涌水事故。

图2 地质概况Fig.2 Geological situation

前期施工做业TSP的结果如图3所示。由图3可知XDK0+220附近横波波速明显下降，纵横波速比降低，推测为地下水发育段落[20,21]，因此，决定采用瞬变电磁法对比验证其地下水探测效果。

图3 TSP预报成果Fig.3 TSP prediction results

3.1.2 现场布置参数

在里程XDK0+300施做瞬变电磁，掌子面从左向右共布置测点8个。每个测点朝向顶板45°、正前方、底板45°三个方向，保证对掌子面前方拱顶、正前方、隧底岩层电性变化情况的全方位探测，测点布置如图4所示。

如图3为室温下(20 ℃),TLS输出的SP光波长为1 550 nm,SP光功率为0.5 mW当980泵浦功率达到33 WM时,图3所示测试系统的多波长光纤激光器产生第1阶stokes光,stokes光频移vB为0.084 nm。

图4 瞬变电磁法测点布置示意图Fig.4 Arrangement of measuring points in transient electromagnetic method

3.1.3 成果分析及开挖验证

对原始数据加以处理，结果显示：掌子面前方60～80 m(XDK0+240～XDK0+220)，电阻率等值线密集，推测该段节理裂隙密集发育，掌子面前方80～100 m(XDK0+220～XDK0+200)，掌子面由左向右等值线图逐渐变为明显的蓝色系，推测该段落地下水较发育，具体富水区域从掌子面左侧向右侧延伸，如图5所示。

图5 瞬变电磁法预报成果Fig.5 Prediction results of transient electromagnetic method

在此基础上，通过三维成图做全空间分析，如图6所示，该储水层体积约为200 000 m3。因此，综合分析瞬变电磁法和TSP预报结果，建议现场实际开挖过程中密切关注掌子面富水情况及位置变化，提前制定防排水措施。

图6 瞬变电磁法三维全空间显示Fig.6 3D full space display of transient electromagnetic method

现场开挖到里程XDK0+220(图4中探测距离80 m处)时，掌子面现一出水点，位于左侧拱顶，呈股状喷出，出水量约150 000 m3，里程XDK0+217处出水点向右侧移动，如图7所示。

图7 现场开挖验证Fig.7 Verified by excavation

3.2 地下水注浆封堵效果检测

3.2.1 检测结果及分析

在上一节XDK0+217掌子面持续出水15天后，现场在该里程处进行帷幕注浆，注浆后在掌子面再次施做瞬变电磁，结果如图8所示。

图8 瞬变电磁法注浆封堵效果检测成果Fig.8 Results of grouting plugging effect detection by transient electromagnetic method

结果显示：掌子面前方40 m范围内(XDK0+217～XDK0+177)，电阻率升高，等值线相对均匀，且变化趋势缓慢，推测该段落地下水轻微发育，注浆效果良好。

3.2.2 开挖跟踪验证

在里程XDK0+217的后续开挖过程中，无明显的突涌水现象发生，如图9所示，推测地下水通过砂岩地层的节理裂隙经由其他方向导走。

图9 现场开挖验证Fig.9 Verified by excavation

3.3 拱顶岩溶探测

3.3.1 工程概况

某新建高速铁路隧道，里程DK28+500～DK28+640，依据设计，该段洞身及其上方围岩为炭质灰岩，局部夹硅质炭质泥岩，洞身上方疑似存在岩溶发育及溶蚀破碎带，如图10所示。

图10 地质概况Fig.10 Geological situation

3.3.2 现场布置参数

瞬变电磁法施做工作面里程DK28+560，探测拱顶上方岩溶发育情况，分别在洞身左右两侧布置一条测线，由掌子面后方拱顶至掌子面正前方，保证对里程DK28+500～DK28+640范围内拱顶上方岩层电性变化情况的全方位探测。测点布置如图11所示。

3.3.3 成果分析及钻探验证

对原始数据加以处理，结果显示：掌子面后方40 m到掌子面前方拱顶存在明显的低电阻率区域，位于顶板上方30～70 m范围内，推测该区域存在明显的软弱岩层或岩溶发育，但不影响正常施工，如图12所示。

图12 瞬变电磁法拱顶岩溶探测成果Fig.12 Results of karst detection in vault by transient electromagnetic method

为验证瞬变电磁法探测成果，在掌子面左右两侧分别做30 m超前钻探一孔，方向斜向上30°，钻探结果显示，掌子面前方25 m洞身上方15 m范围内围岩强度及完整性较好，地下水不发育，可正常施工。

4 结 语

本次研究通过大量的现场实验及几个工程实例，证明了瞬变电磁法可应用于地下水超前探测、地下水通道注浆封堵效果验证、岩溶探测等隧道工程地质风险的预测和评估中，并得出以下结论:

1)瞬变电磁法在外业数据采集过程中具备探测方向多变、测点布置受场地限制较小等特点，尤其适用于铁路等工程隧道中各类地质风险的预测和评估。

2)瞬变电磁法在隧道围岩强度、完整性以及节理裂隙发育情况的探测过程中具有良好的效果，除此之外，瞬变电磁法对隧道开挖过程中遇到的含充填物岩溶发育、地下水富集等具有低电阻率特征的异常、风险点敏感程度较高，由此可以进一步确定异常体的规模、延伸方向。准确圈定其发育范围，极大地提高了解决现场复杂地质问题的能力，为隧道施工提前做好预防措施，将施工风险降到最低。

3)通过对瞬变电磁法与TSP预报成果的综合分析，瞬变电磁法对三维空间中地下水的位置、分布范围及水量的预测都更为准确，进一步说明了瞬变电磁法在地下水异常的探测方面相较TSP存在明显的优势。

4)隧道中的电磁环境、存在的金属体会对瞬变电磁法的探测结果产生干扰，因此，在布置观测系统进行数据采集之前需尽可能地排除干扰物。若无法排除，则需要保证测点避开干扰区域。