隧道瞬变电磁不同探测方式预报研究

0 引言

常见的突泥突水的事故，增加了隧道施工工作的难度，并伴随着一定的经济损失，甚至将对现场施工人员的安全，造成直接威胁。根据工程经验，准确的地质超前预报探水工作，有利于现场根据隧道前方的岩体含水情况，采取预防措施，有效降低隧道施工风险，减少人员和财产损失。

目前，钻探法、地震波法、瞬变电磁法，是隧道施工现场最为常用的三种探水地质超前预报方法。钻探法能直观反应掌子面前方含水情况，但钻孔深度有限，钻探角度存在偏差，影响现场施工进度；地震波法主要针对前方破碎带比较敏感，结合地质情况辅助解译含水状态，对前方探水预报需要丰富的预报经验；瞬变电磁法是一种专门探水的方法，探测距离远，且能探测隧道周边含水情况分布，探测时间短，不影响现场施工进度，在探水预报工作中使用广泛、可靠。

隧道施工环境复杂，瞬变电磁法对铁器敏感，在传统的探测方式中，掌子面两侧往往有钢拱架，会对两侧探测范围内造成一定的低阻干扰；测点、测线及探测角度较多，现场探测断面较小，接收回来的数据闭合性较差，通过测试图像较难直观反映现场含水分布情况，为避免重复探测，需合理布置测点位置；本文在传统测试方式基础上，通过减少拱架附近测试角度、中部增加测点、增加测线及水平布置三个测点的方式分别对同一掌子面进行探测，结合隧道开挖后的实际情况，比较分析各探测方式的适宜性，为今后探测工作提供依据，提高探测效果。

1 瞬变电磁法原理

瞬变电磁法或称时间域电磁法（Time domain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地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：设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征，进而得到不同测试方向上不同深度岩层含水分布情况。

2 现场探测方式

方式一（传统探测）：分别在掌子面前边墙两侧布置两个测点，每个测点均为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，均顺时针旋转，每个角度布置3条测线，分别为斜向上30°，正前方，斜向下30°，共42个数据，测线布置见图1。

图1 方式一测线布置图

方式二（避免拱架干扰）：分别在掌子面前边墙两侧布置两个测点，每个测点均为60°、75°、90°，均顺时针旋转，每个角度布置3条测线，分别为斜向上30°，正前方，斜向下30°，共18个数据，测线布置见图2。

图2 方式二测线布置图

方式三（避免拱架干扰，增加测点）：分别在掌子面前边墙两侧布置两个测点，每个测点均为60°、75°、90°，均顺时针旋转，每个角度布置3条测线，分别为斜向上30°，正前方，斜向下30°，掌子面中部增加一个正前方探测测点，测点布置一个角度为90°，3条测线，方向与两边测点测线布置方向一样，共21个数据，测线布置见图3。

图3 方式三测线布置图

方式四（避免拱架干扰，增加测线）：分别在掌子面前边墙两侧布置两个测点，每个测点均为60°、75°、90°，均顺时针旋转，每个角度布置5条测线，分别为斜向上45°、30°，正前方，斜向下30°、45°，共30个数据，测线布置见图4。

图4 方式四测线布置图

方式五（正前方探测）：分别在掌子面边墙两侧和中部各布置一个测点，每个测点探测角度均为正前方探测，测线为斜向上30°，正前方，斜向下30°，共9个数据，测线布置见图5。

图5 方式五测线布置图

3 工程实例

3.1 工程概况

3.1.1 地形地貌

隧址区属于构造剥蚀低中山地貌区。

3.1.2 地层岩性

隧址区分布的地层为进口段围岩以硬塑状粉质黏土、稍密状卵石为主，洞身及出口段围岩以强～中风化砂岩、泥岩、页岩、泥质粉砂岩、泥灰岩为主。该段大面积分布泥岩、泥质粉砂岩为软质岩，强度低，具易崩解、软化特性，强风化层厚度大，边坡开挖后易失稳，隧道进出口附近，须加强边坡加固设计。

3.1.3 水文地质

地表水体不发育，地下水位埋藏较深，对隧道施工有一定影响。工程地质条件及水文地质条件一般。

3.1.4 现场掌子面情况

掌子面主要为黑灰色层理状水云母粘土岩、粉砂质水云母粘土岩，中～强风化，薄～中层状，岩体较破碎，局部破碎，主要呈碎裂结构，岩体富水性强，掌子面中部及左右两侧钻孔内均出现股状流水。

3.2 探测方式一（传统）探测结果

探测方式一三维图像见图6。

图6 探测方式一图像

通过图像可以看出斜下30°左右两侧约20～65m、正前方左右两侧约20～35m为低电阻率，该范围内为含水区，受两侧钢拱架影响，较难分辨两侧低阻区具体含水分布情况，易造成误导，测点较近，采集数据较多，图像信号闭合较差；盲区范围较大，较难反应掌子面周边含水分布情况。

3.3 探测方式二探测结果

探测方式二三维图像见图7。

图7 探测方式二图像

通过图像可以看出斜下30°左侧约30～65m、正前方靠左约30～45m为低电阻率，该范围内为含水区，图像效果较好。

3.4 探测方式三探测结果

探测方式三三维图像见图8。

图8 探测方式三图像

通过图像可以看出斜下30°左侧约0～65m、正前方约30～45m为低电阻率；斜下30°右侧、正前方右侧，电阻率稍高，以上范围内为含水区，图像效果一般，中部存在信号闭合不好。

3.5 探测方式四探测结果

探测方式四三维图像见图9。

图9 探测方式四图像

通过图像可以看出斜下30°、斜下45°，约30～65m、正前方约30～45m为低电阻率，该范围内为含水区，图像效果好，反应全面，和现场吻合度高。

3.6 探测方式五探测结果

探测方式五三维图像见图10。

图10 探测方式五图像

通过图像可以看出斜下30°两侧约30～65m、正前方两侧约30～65m为低电阻率，该范围内为含水区，效果图像较差，较难直观反应前方含水情况。

4 总结及评价

根据前面五种不同探测方式均显示出底板电阻率低，后四种探测方式正前方约30～45m含相对低阻区，结合现场揭露情况掌子面前方主要为底板水。五种探测效果评价总结见表1。

表1 不同探测方式效果评价表

5 结论及建议

①本文在传统探测方式基础上，对同一掌子面通过减少拱架附近测试角度、增加测点、增加测线及水平布置三个测点五种探测方式对前方含水分布情况进行探测，五种探测结果均能显示掌子面前方存在底板水，后四种探测方式均显示正前方约30～45m处为含水区，但五种探测图像显示存在明显差异，方式一存在掌子面两侧钢拱架影响，较难分辨周边两侧含水分布情况，盲区较大，较难反应掌子面周边含水分布情况，方式二、方式三、方式五显示含水分布情况均存在一定局限，不能完全和现场吻合，方式四探测结果和现场吻合度高。

②在隧道进行瞬变电磁探测时，应合理布置测点，尽可能使测试角度避开边墙两侧钢拱架影响；隧道断面较窄，应合理控制测点之间的距离，避免重复接收信号，造成信号闭合性差，给人造成误导；保证一定量测试数据，能有效反应现场实际含水分布情况。不宜采用方式五探测方式，数据量小、矩形图较窄，较难直观全面反应现场含水分布情况。探测方式四测点间距合理，每个测点布置60°、75°、90°三个角度，每个角度布置五条测线，测试数据满足现场探测需求，探测图像效果好，能全面反应现场实际含水分布情况，探测精度高，建议类似隧道工程现场使用探测方式四进行探测。