浅谈瞬变电磁技术在隧道超前探水中的应用

浅谈瞬变电磁技术在隧道超前探水中的应用

王明柱

王明柱

中铁十八局集团有限公司勘察设计院天津市300222

摘要：涌突水是隧道工程中常见的地质灾害之一，具有突发性、极高危害性等显著特点，一旦发生，后果是灾难性的，不可接受。传统解决之道往往采用钻探方法。钻探法超前探水费用高、时间长、预报距离短等特点，严重制约着隧道开挖进尺，无法做到每米必探。近几年，受瞬变电磁技术在煤矿探水中广泛应用的启发，科研院研制出了专用于隧道探水的瞬变电磁仪。该设备作为隧道专用探水设备，具有可靠的准确率和便捷性。本文通过工程实例，验证了该设备在隧道探水中的准确性。通过应用，本人总结出一些经验，供今后从事该工作的技术人员参照。希望大家共同探讨，以便促进超前探水效果的提升。

关键词：瞬变电磁法超前探水

1前言

隧道施工安全是一个永恒的话题。隧道的危险源种类之多，危害之大，一直制约着工程建设发展。近些年，随着高铁和高速公路发展到了中后期，工程的建设难度越发增加，长大隧道占比越来越高，地质环境越来越复杂，事故极易发生，且后果是灾难性的。随之，隧道超前地质预报技术得到了广泛的发展，解决了一部分难题，但涌水、突泥等威胁没有得到很好的控制，老法子一直采用钻探法解决，个别地方采用了红外探水技术，前者成本高，后者收效甚微。为了解决这一难题，工程师们借鉴煤矿探水技术经验，尝试在隧道中应用瞬变电磁技术探水，取得了一些成绩。但由于该技术在隧道中施工经验较少，而隧道又属于封闭空间，且各种人为干扰太多，今后还需大量的试验数据作为总结经验的基础。在缺少大量经验的前提下，在数据处理阶段，数据处理参数选取的不同，易导致数据处理结果出现较大的差异，尤其是关键处理参数选取不合理，往往直接导致预报失败[1]。通过工程应用，本人阐述了该技术的工法，总结了一些实用经验，为今后在隧道中应用该技术提供了一些可借鉴的经验。

2工作原理

瞬变电磁法属于时间域电磁法。它遵循电磁感应原理[2]，工作时在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡（衰减）过程（见图1、2）。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V（t），就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现导体的存在[3]（如图3）。

图1回线中阶跃电流的磁力线

图2全空间中的等效电流云图

图3良导体瞬变电磁感应原理图

3工程概况

楚烽隧道DK536+200～DK535+950段属侵蚀构造中山地貌，洞身穿越地层主要灰岩夹页岩、白云岩。隧址区背斜与断层构造发育，隧道通过横溪断层、杜家坡断层、龙口河断层、龙潭垭断层，受构造影响，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地表水系为汉江水系、长江水系，地表水体主要为小横溪河、大横溪河、龙口河及其支流；地下水以基岩裂隙水、岩溶水为主，基岩裂隙水主要分布于砂岩层中，以滴水～淋水为主，不发育；岩溶水：DK532+000～DK536+790段隧道主要位于岩溶水水平径流带，岩溶中等～强烈发育，地下水较丰富。

4工程实例

受龙潭垭断层和岩溶双重影响，楚烽出口DK536+200～DK535+950段设计图要求采用瞬变电磁法对前方水文地质情况进行探测。在此要求下，我单位组织了本次超前预报。考虑到瞬变电磁法存在10～15米的盲区，掌子面后方10米内裂隙水发育，呈滴水～雨淋状，本次预报将线圈摆放在DK536+225，预报时掌子面里程为DK536+220，共布置3个扫描剖面（掌子面顺层方向、掌子面水平斜向上45°方向、掌子面中央垂直方向，每条测线布置16个测点（测点布置见图4），通过移动发射接收线圈，形成3条实测剖面。现场采集完毕后，对原始数据检查了一遍，确认合格后，外业结束。

图4掌子面扫描剖面示意图

通过专用软件处理和safari成像后，得到3张电阻率剖面图（见图5、6、7）。数据处理流程为：输入采集数据→数据预处理→生成断面文件→时深转换→深度校正→超前探测坐标转换→白化→断面图绘制→生成视电阻率剖面图。

图5顺层方向视电阻率剖面图附

图6垂直方向视电阻率剖面图

图7斜向上45°视电阻率剖面图

通过对图5-7进行分析发现：图5显示掌子面前方57～85m的位置存在相对低阻异常。图6显示掌子面前方3～85m的位置存在相对低阻异常。图7掌子面水平斜向上45°前方37～85m的位置存在相对低阻异常。以视电阻率剖面图为基本附件，结合设计资料，其它物探资料，综合推断：DK536+207～+173段（掌子面前方3～37m）围岩较破碎，含水（推测呈滴水状～雨淋状）；DK536+173～+125段（掌子面前方37～85m）围岩破碎，含水（推测雨淋状～股状）。

后经开挖验证，在DK536+173处掌子面中心钻孔内出现股状水（见图8、9），围岩破碎，裂隙发育，存在破碎夹层，与预报结论较吻合。由于水压较小，未对工程施工造成重大影响，该含水段安全通过。

图8隧道掌子面DK536+173出水全景

图8隧道掌子面DK536+173出水特写

5结论建议

5.1瞬变电磁技术在隧道超前探水中是可行的；

5.2瞬变电磁法应根据预报的有效距离，提前设置发送和接收线圈的匝数[4]，并根据匝数设置参数；

5.3工作时，电流一般选择100mA；电压不小于48V；

5.4掌子面附近20m以内禁止有任何金属体、强磁场和电流，应详细记录干扰源的信息；

5.5因瞬变电磁法的电阻率为视电阻率，应结合设计资料、其它物探和钻探资料，谨慎下结论。

5.6测线布置数量应依据水文地质情况综合考虑，不应少于3条，每条测线的扫描线不应小于15条。

参考文献：

[1]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的建议.铁道勘察，2004（1）：7-9，18

[2]陈德君，王树栋，王光权.综合物探方法在隧道超前地质预报中的应用[J]2017，05-0018-04

[3]牛之璉，时间域电磁法原理，Z中南大学出版，2007.12，ISBN978-7-81105-613-6

[4]《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2010）

作者简介：王明柱（1984-），男，河北省邯郸市，本科，高级工程师，就职于中铁十八局集团有限公司勘察设计院，研究方向为隧道超前地质预报和衬砌雷达检测。