三维转角瞬变电磁超前地质预报探测技术在隧道中的应用

赵文轲， 刘明伟

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

随着我国铁路、公路建设向山区不断延伸，隧道建设的数量和规模迅速增长。为了确保隧道施工安全，超前地质预报工作已成为施工过程中的重要环节[1-2]，预报方法有地震波法、地质雷达法和瞬变电磁法[3]。瞬变电磁法是由地表瞬变电磁勘探方法演变过来的一种超前地质预报方法[4-6]。

近10年，瞬变电磁超前地质预报法已被广泛应用。本文基于较成熟的多匝重叠小回线瞬变电磁超前探测技术，以杨柳隧道为依托，开展隧道三维转角瞬变电磁超前地质预报探测，通过应用实例探讨三维转角探测方式在隧道超前地质预报中的效果[7]。

1 三维瞬变电磁预报技术工作原理[8-9]

瞬变电磁法(简称TEM)是一种时间域的电磁探测方法，以接地导线或不接地回线通以脉冲电流做为场源，以激励探测目的物感应二次电流，在脉冲间隙测量二次场随时间变化的响应，二次场的变化反映了周围地下地质体的导电性分布。预报中采用重叠回线的磁偶源激发的方式，以均匀大地的瞬变电磁响应为例，在矩形发射回线中供以阶跃脉冲电流，电流断开前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的一次磁场，如图1所示。

在发射间歇，通过接收装置测量围岩介质产生的感应二次场信息随时间的变化值，当地质构造存在低阻体(如水)时，其导电性较围岩明显变强，接收到的二次场信号将发生变化，通过对接收到的数据进行处理、分析和解译，可探测掌子面前方低阻(充水充泥)地质构造体的分布情况。

隧道掌子面瞬变电磁三维探测技术利用多匝小线圈(边长小于3 m方形回线)，通过重叠回线接收方式将收发装置的中心平行布置，平移收发装置，多点时间域探测掌子面前方一定体积范围内围岩低阻区分布情况，多个测点形成的网格剖面经坐标转换后的三维空间数据点。空间数据坐标通过后期视电阻率计算、时间深度转换，空间网格化成对应的视电阻率等势面空间分布图，并结合隧道水文地质条件，推测掌子面前方富水构造的分布情况[10-12]。

2 转角三维探测方式及三维计算

2.1 转角三维探测方式

传统的阵列式探测通过在掌子面进行线框平移实现探测，获取掌子面正前方的地质信息。具体测点布置如下：在掌子面布置点距为1 m的测点阵列，采用单点发射、单点接收的方式进行数据采集。2车道隧道阵列大小为5 m×6 m，共42个测点；3车道隧道阵列大小为5 m×9 m，共60个测点。若探测成功可控制掌子面前方80 m之内的低阻异常信息。该种探测方式获取的掌子面正前方信息丰富，全空间影响小，但对掌子面前方四周信息获取有限，同时当线圈靠近隧道拱圈的钢架时，由于金属体的存在，会造成信号的异常，形成强烈的背景场干扰，影响探测效果。

定点转角度三维探测是通过在掌子面布置不同方向的仰俯角和方位角进行探测，获取的是掌子面正前方及左右方位的地质信息。该方法探测范围较广，对裂隙水的位置、大小及导通性可实现较好的判断，探测主要是采用图2方法进行探测。具体测点及测线布置如下：在掌子面隧道中心线处分别按仰俯角间隔10°布置9条测线，如图2(a)所示：仰角40°，仰角30°，仰角20°，仰角10°，0°，俯角10°，俯角20°，俯角30°，俯角40°；每条测线上布设9个测点，如图2(b)所示：左侧40°、30°、20°、10°、正前方(水平0°)，右侧10°、20°、30°、40°。合计布设81个测点，可获取掌子面前方以掌子面为顶点的80°锥形体范围内的信息。一般二维数据采集至少11个点算，时间为4 min；三维定点转角度探测时间约为27 min。

(a) 测线布置侧视图

(b) 测点布置俯视图

目前可采用机器人控制的碳纤维自动转角架进行探测，减少了人为操作重复造成的转角误差，提高了探测速度，且具有便携性，如图3所示。

注：1-发射天线；2-接收天线；3-固定连接；4-连接杆；5-天线单元上设置的固定块；6-收发天线间距；7-摆动球包；8-摆动止端限位的摆动限位块；9-横向两侧设置有摆动开口槽；10-球铰连接的转动球体；11-转动开口槽；12-转动限位块。

(b) 一体化转角天线平台

2.2 三维探测的反演计算

瞬变电磁三维探测的正演[13]及反演[14]已有相当多的研究。进行瞬变电磁或时间域电磁勘探正演问题三维求解主要有4类方法，即体积分方程法(VIE)、有限单元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)和有限体积法(FV)。瞬变电磁反演计算有用信号主要集中在中晚期，为此，可用晚期的视电阻率公式计算视电阻率，不同测道视电阻率计算公式如下：

(1)

(2)

式中：d为传播深度；t为传播时间；μ0为真空中的磁导率；dB(t)/dt为磁场随时间的变化；V/I为归一化感应电位；I为发射电流；SN为发射线框等效面积；R为接收线框等效面积。

主要步骤为：1) 将极坐标转化为直角坐标系，获得转角测量采集的三维数据；2) 通过时-深反演得到电阻率的深度数据；3) 在三维绘图软件插值绘制三维视电阻率图形。

3 三维转角瞬变电磁探测应用

重庆某铁路杨柳隧道起讫里程D1K202+010～D2K221+815，正线全长19.805 km，正洞依次穿越页岩、页岩夹灰岩地层(1 328 m)，泥质白云岩夹页岩(砂岩)地层(7 288 m)，灰岩、白云质灰岩地层(1 794 m)。穿越区地下水类型主要为碳酸岩类裂隙溶洞水，另在岩溶洼地和冲沟沟槽第四系松散堆积物中赋存有少量松散岩类孔隙水。在采用全断面开挖至隧道2#横洞掌子面D2K207+835时，出现多处雨淋状出水，正拱顶上部超前炮孔股状涌水，喷涌距离约3 m，出水量达100 m3/h，截止本次探测已稳定出水3 d，数据采集时底部有大量积水，如图4所示。此段原设计勘察无明显断层及破碎带，但提示可能发育岩溶。

图4 掌子面拱部涌水照片

根据现场情况，采用三维转角瞬变电磁探测方式探测，再依据前文数据处理流程进行处理。处理后得到不同仰角水平方向探测剖面图，如图5所示。掌子面前方10 m～60 m段不同深度切片如图6(a)所示，掌子面前方瞬变电磁超前探测三维可视化如图6(b)、(c)所示。

图5、图6中，横轴(X)为水平距离，纵轴(Y)为深度，竖轴(Z)为高度。剖面图中不同颜色代表不同的电阻率分布情况，其中白色-灰色-深灰色代表该区域是相对高电阻率分布；灰色(或深灰色)-黑色代表该区域为相对低电阻率分布。

图5 探测剖面

(1) 正视图(2) 俯视图(3) 侧视图(a) 掌子面前方10 m～60 m段不同深度切片图(1) 正视图(2) 俯视图(3) 侧视图(b) 掌子面前方探测边界渲染图(c) 掌子面前方视电阻率值的异常等值面图单位:m图6 掌子面前方瞬变电磁超前探测三维可视化图Fig.6 3D visualization maps of transient electromagnetic advanced detection in front of the tunnel face

本隧道的瞬变电磁法探测有效范围 10 m～80 m，其中0 m～10 m 范围内为探测盲区，无法对该范围内水害发育情况进行判断。探测结果可以看出，掌子面前方电阻率整体较低(为灰色或深灰色、黑色)，基岩裂隙水较发育，多淋雨状-股状出水，并划分出2处电阻率相对较低的富水区域段落，分别为：低阻异常YC1(掌子面上部前方，深度方向约15 m后)和低阻异常YC2(掌子面前方偏左30 m～65 m)。

低阻异常YC1主要分布在掌子面前方上部，深度约15 m后，掌子面中部正前方方向。该区域视电阻率较低，富水范围较大，初步推断为水害流通通道、断层破碎带等富水区域；该低阻区域连通性较好，水源补给性较好，揭露后会出现较大范围涌突水，水量较大。

低阻异常YC2位于距离掌子面前方30 m～65 m处，掌子面前方左侧区域，视电阻率较低。该异常为背景场或干扰信号，异常等值线图中显示局部深灰色，推断为水害富集区域；该区域视电阻率变化较大，视电阻率值较低，范围较大，初步推断为岩溶构造、断层破碎带等富水区域；该水害区域较大，左侧延伸至探测边界外，揭露后表现为涌突水，水量较大。

预报解译结果提供后，施工采取“排堵结合”处理方式，安全顺利通过了本段富水不良地质体段落，在后续的开挖中，本次瞬变电磁探测成果中异常地质区分布范围与实际开挖后揭露情况吻合较好，开挖轮廓线以外的出水点集中在左侧和上部，表明了转角三维瞬变电磁探测法对低阻异常地质构造的探测效果、转角探测方式相较点阵平移式探测方式能探测更大的响应范围，达到定量低阻异常区域超前预报的目的，保证隧道施工安全。

4 结论

1) 瞬变电磁法超前探测定点转角度探测方式，利用不同仰、俯角布设测线，在同一测线上再间隔一定方位角布置测点，实现在掌子面范围有限空间的三维数据采集，保证了数据的数量和质量，并对掌子面前方及四周多方位探测和信息反馈，为后期三维可视化出图提供数据支持。

2) 自动转角三维瞬变电磁探测设备及方法减少了平移探测时间，降低了隧道钢架背景场干扰，提高了探测效率；人员不需要长时间在掌子面探测数据，提高了复杂地质条件下掌子面探测的安全性。

3) 杨柳隧道转角三维瞬变电磁探测结果表明，该方法可有效探测低阻异常不良地质体，并且根据三维数据后处理和可视化软件，实现异常体的“定量”空间展示成果，为隧道安全施工提供数据支撑。