隧道超前地质预报中等值反磁通瞬变电磁法的应用研究

何宇

云南省交通规划设计研究院有限公司 云南 昆明 650011

引言

近年来，随着岩溶与富水地质构造发育隐伏的大埋深隧道越来越多，对隧道的修建和运营造成了严重的安全隐患。在实际勘测工作中，设计阶段的地质勘测受经费、工期、方法的限制，勘测精度受到较大影响，就常规物探方法而言：受高压电干扰，浅层区域的大地电磁法分辨率难以满足；地震波法受地形地貌影响，抗干扰性不强；地雷达法进行探测，探测的深度受到一定的限制；传统的瞬变电磁法操作起来比较烦琐，还存在探测盲区[1]。因此，寻找一种针对前期勘察及施工期探测的新的合适的物探方法，就显得尤为重要。

瞬变电磁法是地球物理勘探的一种，因其对地下水具有较强的敏感度，常用于勘探岩溶发育区、含水节理裂隙发育带等。目前，瞬变电磁法已在隧道超前地质预报方面有所建树。

2014年，席振铢教授以等效消除收发线圈互感的等值反磁通原理，提出了一种浅层瞬变电磁法。理论和实践表明，该方法不受地形地貌影响且具有较强的抗干扰能力，能有效消除接收线圈本身的感应电动势，从而在地下获得纯二次场响应，解决了传统瞬变电磁法存在探测盲区这一重大技术难题，目前，该方法已进入了推广应用阶段。本文结合云南某在建高速公路隧道应用等值反通瞬变电磁法地质超前预报，同时对照传统的超前预报方法（TGS），验证其方法的有效性和优越性。

1 等值反磁通瞬变电磁原理

瞬变电磁法（Transmatic Emagnetic Magnetics，TEM）是一种通过观测二次磁场，以不接地的回线或接地长导线供双极性脉冲电流激发电磁场，从而达到探测地下地质体分布形态的方法[2]。等值反磁通瞬变电磁法和地面等值反磁通瞬变电磁法的原理是一样的，都是瞬变电磁法，其原理是等值反磁通，如图1所示。

图1 等值反磁通瞬变电磁原理示意图

图2 测线布置图

等值反磁通瞬变电磁装置中的瞬态脉冲电磁场信号发自布设于地面的双线圈，在瞬态脉冲断电的瞬间，近地表面叠加的磁场最大，因此感应涡流的极大值面集中在近地表面，在相同的变化时间下，随着关断间歇的延时，感应涡流产生的磁场最强，在近地表面上产生的磁场地表感应式涡流逐渐衰减，产生新的涡流极值面，并逐渐扩散到离发射线圈较远的深部和边部，即“烟圈效应”[3]。由于反向对偶磁源在接收线圈内产生等值的反向磁通，叠加后一次场总磁通始终为0，因此在发射电流关闭前后没有一次场磁通变化，等效地消除了收发线圈的互感，从而解决了瞬变电磁法早期信号受互感影响严重的难题，由于这种方法消除了收发线圈之间的互感，从而解决了瞬变电磁法早期信号受互感影响；同时，相对于地面瞬变电磁法，坑道瞬变电磁法通过增加回线匝数或增加发射电流的方法来增强二次场信号的强度，以克服隧道顶板和侧面的影响，且发射和接收装置采用的是多匝小回环装置，从而提高瞬变电磁法的顺层或垂直探测深度。对其早期信号受互感影响而增加的收发线圈互感导致浅部探测“盲区”的情况，目前学者主要从资料处理方面提出各种修正演算法，以解决此问题。

2 工程应用

2.1 工程概况

云南某高速公路隧道位于大理境内，沿线地形起伏较大，沿线穿越2座山脊及1条冲沟，洞身段冲沟沟谷高程在1437～1513m之间，沟谷宽70～86m，山顶高程在1609～1778m。该公路隧道的最大埋藏深度为241m的公路隧道后段。

隧道所穿越围岩岩性为白垩下统普昌河组中部泥岩、钙质泥岩夹粉砂岩和泥灰岩（K1P2），后为白垩系下统普昌河组上段泥岩和粉砂岩（K1P3），隧道穿越地层岩性总体上以泥质岩为主，岩层产状为252°∠54°。隧道沿线结构相对发达，共有3条III级断裂在前期勘测钻孔中暴露。断层走向与以中等倾角为主的公路隧道走向呈大角度交叉。地下水类型以点滴状或淋雨状基岩裂隙水为主。

隧道掘进至K48+318附近处，主要构造面起伏/粗糙、发育、微张、多为泥质充填。掌子面湿润，拱顶及右壁滴水如雨，左壁出水如线；围岩不稳，自稳时间短，毛洞岩块易脱落。采用等值反磁通瞬变电磁地质超前预报系统（ADTEM-18）进行地质超前预报，以便在施工过程中及时制定预案和措施。

2.2 测量仪器

此次提前地质预报所用仪器为由湖南五维地质科技有限公司研发出品的ADTEM-18等值反磁通瞬变电磁地质超前预报系统。

2.3 测线布置

测线掌子面设水平线2条，测点间距0.5m，水平线长7m，分别距底板高1.0m、2.0m；测量时，从测量起点按0.5m点距测量ADTEM-18等值反磁通瞬变电磁地质超前探测系统的收发线，紧贴掌子面至测线端点。

2.4 现场数据采集

ADTEM-18等值反磁通瞬变电磁超前预报系统由ADTEM天线组成，仪器主机，12V外置电池，操作PC。将ADTEM接收天线调整至零磁通面，采集数据时尽量水平放置天线，尽量保持天线与主机的距离和操作PC的距离。根据探测深度选择发送基频6.25Hz，仪表关闭时间长度为40μs，叠加周期为1600次，发送电压为12V，最大发送电流为10A。

2.5 数据处理与对比

由于不良地质体和含水构造影响，发送电源断开时发射线圈产生的磁场在近掌子面表面处最大，因此，在变化时间相同的情况下，在近掌子面产生的感应涡流形成极大值面，同时，该处产生的感应磁场也最强[4]。随着断续延时产生新的感应式涡流达到极大值，扩散速度和极大值的衰减幅度也随着掌子面前方的电阻率逐渐向远离垂直发射线圈的方向扩散。因为大地介质的平均电导率一般情况视为常数，局部地质体的电导率变化和隧道埋深变化成为影响涡流极大值面扩散速度和极大值的衰减幅度变化的主要因素[5]。在不考虑其他因素的情况下，一般情况下，在扩散速度和极大值方面，地质体的电导率越大，衰减就越小。

经过平滑滤波、数据去噪、数据整理等预处理后，从等值反磁通瞬变电磁超前探测电阻率深度剖面图，以及与TGS隧道地震波法中横波波速的对比可以看出，掌子面前方有3个横波低速异常，分别位于掌子面前方30m、40m、60m，而横波波速低速异常区域瞬变电磁也同时存在相对低阻的异常，这说明横波波速的低速区与瞬变电磁的相对低阻区是一致的，但从细节处来看，由于等值反磁通瞬变电磁的收发天线相对较小，能够在掌子面上实现密集采集，因此，瞬变电磁可以反映掌子面前方丰富的地质变化[6]。

3 结束语

等值反磁通瞬变电磁隧道超前预测主要是根据掌子面前方的构造及含水情况，利用电磁感应原理将二次场衰减电压转换成电阻率参数进行判断，ADTEM-18所反映的低阻异常与TGS地震波法的横波波速异常区相比，基本一致。这说明ADTEM-18在隧道超前预测中是有效的，其次ADTEM可以在掌子面上实现密集，在掌子面上更能体现出细节变化。

等值反磁通瞬变电磁法，适合应用于山区公铁隧道勘测检测。从反演得到的电阻断面图可以看出，其获得的浅部信息丰富，分辨率高。

传统的物探方法由于一些复杂地形、环境的工程，施展不便捷，也不一定能取得很好的效果。但ADTEM-18采用了更小的发射接收一体式线圈，该线圈设备体积小、重量轻，便于野外采集，同时解决了传统TEM法探测浅层区域存在的困难，使探测精度得到了提高。

在等值反磁通瞬变电磁法的资料解释中，要得到比较准确的勘探结果，需要将其探测成果与地质资料，以及其他物探资料进行综合比较分析和解释，充分考虑物探成果的多解性[7-8]。