岩溶隧道瞬变电磁三维超前探测技术研究

邢修举

(中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077)

0 引言

在我国西南部(特别是有岩溶发育的地区)修建铁路时往往要穿越山区，即会出现长大埋深隧道，此类隧道在开挖过程中面临岩溶突水的风险[1-2]，严重威胁施工人员和设备的安全。富水充泥溶腔的准确预报是目前地质超前预报技术面临的难点[3-4]，隧道应用较多的地质预报物探方法有地质雷达法和地震反射波法(TSP)，地质雷达法属于近距离(30 m)预报技术[5]； 而TSP为弹性波波阻抗预报技术[6]，在长距离下预报岩溶水、裂隙水、地层水等存在难度[7]。

瞬变电磁法是一种电磁感应探测方法，是一种对含(富)水构造体较敏感的勘探技术[8]，该技术能够在隧道掌子面进行多角度、多断面测量。自20世纪90年代瞬变电磁法引入隧道超前地质预报以来，薛国强等[9]对不同地电断面情况下的异常体电磁响应进行定性分析，得出采用瞬变电磁法探测不良地质体是可行的结论； 李貅等[10]研究得出瞬变电磁法对低阻含水断层、充泥富水溶洞、含水含泥破碎带等不良地质体探测反应灵敏； 谭代明[11]通过改变低阻异常体埋深、半径、电阻率及高阻围岩的电阻率，得到了各参数变化对结果的影响程度； 赵雪平[12]利用ANSYS软件，对岩溶隧道的瞬变电磁法超前地质预报进行了模拟计算，结果表明瞬变电磁法对岩溶体探测敏感，验证了瞬变电磁法超前预报的可行性。前人对岩溶发育隧道瞬变电磁法作了较系统的研究，但隧道掌子面瞬变电磁超前地质预报研究都是基于隧道内单条或几条、自隧道左侧到右侧测线的数据采集，依据感应电动势剖面和二维视电阻率断面来进行解释，无法准确定位掌子面前方不良地质体的空间范围。随着隧道面临越来越复杂的地质情况，对开挖前探测精度和不良地质体的定位提出了更高的要求。因此，本文借鉴煤矿中应用较成熟的小巷道断面多匝小回线扇形断面瞬变电磁超前探测技术，开展隧道大断面三维瞬变电磁超前地质预报技术，通过数值模拟研究掌子面前方不同距离、规模的低阻异常体瞬变电磁响应特征，以期对隧道掌子面前方80 m、洞轴线30 m范围内岩溶发育构造进行三维空间定位。

1 瞬变电磁超前探测技术

1.1 瞬变电磁法原理

隧道掌子面瞬变电磁法是利用磁偶源装置形式，在掌子面布设发射线圈激发脉冲电流产生一次电磁场，在发射间隙用接收装置接收掌子面前方围岩产生的二次场，由于二次场随时间的强弱与周围地下地质体的导电性分布成正相关关系，通过对接收到的数据进行成图处理、分析和解释，可以探测到掌子面前方围岩富水性分布情况[13]。

依据小线框全空间瞬变电磁法“烟圈效应”原理推算出“烟圈”将沿47°倾斜锥面向外传播[14](见图1)，在隧道掌子面，对每一个探测点设计探测角度为α，如图1所示。采用α±β(β为任意一小角，β< 47°)角度变化法，可以避免盲区，减小体积效应，实现对有效区域的高密度全覆盖探测，准确收集地质信息，确保地质解释的准确性和精度，这也是设计扇形探测角度间隔的依据。

图1 隧道瞬变电磁烟圈效应示意图

Fig. 1 Sketch of smoke ring effect of tunnel transient electromagnetic

1.2 隧道掌子面大断面超前探测技术

对于隧道掌子面，其超大断面的瞬变电磁装置布置是面临的难点，隧道建设的工期安排紧凑，这就需要设计的探测角度疏密合理，且施工便捷。借鉴煤矿小巷道掌子面的2 m方形多匝线圈装置，在隧道掌子面多匝线圈的法线方向成自以隧道左侧与轴线成60°夹角为起始探测角度，以等间隔5°、10°或者15°向隧道右侧旋转至与中轴线成60°为最后一个探测角度的一个扇形探测断面(见图2)。

从图2可以看出，富水性较强的区域主要集中在隧道中轴线右侧，3个不同等间隔的异常在断面上的位置和范围几乎一致，依据隧道后期开挖揭露情况可知，在该范围拱顶及边墙有不同程度的渗水、线性出水情况。在掌子面使用12.5 Hz发射、叠加200次再施加等间隔5°采样一个断面所用时间为20 min，10°需要10 min，15°需要6 min。在隧道掌子面建议使用15°等间隔，这样施工效率高，能够满足对隧道前方围岩富水情况探查的要求。

在隧道掌子面设计由点到面、由面到体的3D探测技术。通过前期试验，制作了专业的角度控制支架，最大限度地减少人为干扰因素对最终采集数据的影响。具体的施工流程是： 1)在隧道掌子面中心线上距离掌子面0.4 m处架设角度控制支架，布置收发装置； 2)采用扇形断面、等间隔15°进行数据采集(见图3(a))； 3)将数据离散到对应的空间坐标系下(见图3(b))。最后使用Voxler软件[15]，对离散化的三维数据网格化，输出异常体等势面图以及各个方向的视电阻率等值线切片图，进行综合对比分析。

(a) 等间隔5°视电阻率等值线图

(b) 等间隔10°视电阻率等值线图

(c) 等间隔15°视电阻率等值线图

Fig. 2 Sketches of water anomalies distribution unequal spacing ahead of tunnel face

2 岩溶体数值模拟

2.1 模拟参数设置

岩溶发育隧道面临的富水或充泥溶洞发育在隧道开挖路径的位置距离掌子面有远有近，规模有大有小，发育形态也是千变万化的。将这些地质构造简化成可以进行数值模拟的构造模型。设计数值模型中以形状近似的低阻体来替代真实情况下的溶洞，通过总结模型的瞬变电磁响应规律来提高实地探测资料的解释精度。

利用ANSYS有限元软件对隧道前方富水(充泥)溶洞进行瞬变电磁三维正演模拟，对整个模型进行离散化处理，将模型划分成一定数量的单元，建立每个小单元上的待求解的近似解，进而求得整个模型的近似解，采用以有限单元上的场量作为变量的计算方式具有较高的计算精度[16]。建立隧道全空间模型，模型尺寸为500 m× 500 m × 600 m，假定隧道掌子面形状为矩形，隧道断面宽 10 m、高 13 m，隧道已开挖距离为200 m，富水岩溶体位于掌子面正前方25 m和50 m处，分别设置为边长为10 m和20 m的立方体模型。

(a) 扇形断面探测点示意图

(b) 离散化后的三维数据点图

Fig. 3 Sketches of transient electromagnetic detection angles of tunnel face

在勘探电磁领域通常忽略位移电流，在实际计算中需要加入位移电流，这样才能显示时间迭代格式。加入位移电流后的麦克斯韦方程组为：

设计各向同性介质为背景地质条件，采用水平旋转的方式进行瞬变电磁超前探测模拟，每次旋转15°，从0°到180°。分别计算研究异常体在掌子面前方25 m和50 m时，异常体在掌子面正前方的瞬变电磁响应。收发装置离掌子面距离为0.4 m，模型示意图如图4所示。根据实际隧道中围岩岩性、岩溶水的电阻率变化范围，取其近似值作为模型的计算值，相关参数如表1所示。激励源设置在掌子面中间，在激烈源中不同的时刻设计不同大小的电流密度来模拟实际的供电电流，在电流接通期间设计的电流密度最大，电流断开期间设计的电流密度为0。

图4 隧道前方有含水构造的三维模型示意图

Fig. 4 Three-dimensional tunnel model with water-bearing structure ahead of tunnel

表1 数值模型参数

2.2 数值模拟结果

数值模拟结果如图5所示。从图5中不同空间位置异常体瞬变电磁响应结果，可以直观地得到以下结论：

1)溶洞模型在二维视电阻率等值线断面图上25 m和50 m处形成闭合、视电阻值小于60 Ω·m的低阻区，低阻区与设计的模拟体的位置和范围一致。

2)当收发装置正对着异常体时，其视电阻率值最低； 当收发装置偏离异常体时，视电阻率开始变大； 异常体不在收发装置探测范围时，视电阻率等值较高。这也说明了小线圈瞬变电磁探测具有一定的方向性。

3)图5中异常的形态和设置的异常形态有一定的区别，但异常的中心位置一致。说明瞬变电磁探测成果的异常边界范围与实际会有一定的误差，但异常响应的中心位置准确。

4)图5中异常的阈值与设置的实际视电阻率值有较大区别，说明瞬变电磁探测视电阻率值是综合的地电反应。异常阈值的选择应根据探测区域的地质条件情况来选取。

3 工程应用

新建张吉怀铁路古丈隧道位于湖南省古丈县红石林镇、罗依溪镇境内，线路总体近南西(169°～210°)。场区属溶蚀构造中低山地貌，沿线地形标高为400～800 m，地形陡峭，地势起伏大。隧道穿越寒武系下统页岩、灰岩，寒武系中统白云岩、泥灰岩、灰岩、白云质灰岩以及寒武系上统灰岩等地层。该隧道起讫里程为DK81+257.32～DK86+138.00，长4 880.68 m。隧道穿越构造侵蚀—溶蚀中低山区和构造溶蚀中低山区。地表及地下岩溶极为发育，地表峰丛洼地、峰丛槽谷十分普遍，地表河流常通过落水洞潜入地下形成断头河，地下暗河呈树枝状发育，最终汇集排泄于酉水河。

(a) 异常体在25 m位置的视电阻率等值线剖面

(b) 异常体在50 m位置的视电阻率等值线剖面

掌子面采用爆破法全断面开挖和喷浆支护方式。根据掌子面开挖情况可知，围岩是寒武系泥质条带灰岩，青灰色、灰白色，弱风化，薄—中厚层状结构，围岩较破碎。依据现场情况，采用中煤科工集团西安研究院生产的矿用YCS2000A型瞬变电磁仪器，设计了4个扇面进行探测，扇面参数如表2所示，发射电流为3 A，发射频率为12.5 Hz，数据采集叠加次数为200次。对于数据质量较差的点通过进行多次重复测量和增加采集的叠加次数来保证第一手资料的质量。

表2 掌子面探测角度及参数

注： 剖面命名中H代表水平及平行于隧道开挖方向的含义，数值代表夹角(下负上正，左负右正)。

4个扇形探测等值线剖面如图6所示。低电阻率区域相对赋水的可能性较大，因此在做资料分析解释时重点对低阻区域分析。在仰角为30°、15°和顺开挖方向探测剖面图中可以看到，在掌子面前方17～30 m和开挖洞轴线左侧20 m到洞轴线中心范围有一个闭合的较明显的相对低阻异常区(图中蓝色闭合曲线范围)，与该区岩溶发育形态近似，在俯角15°探测剖面等值线值相对较高，无明显异常。

(a) 仰角30°探测等值线剖面图

(b) 仰角15°探测等值线剖面图

(c) 顺开挖方向探测等值线剖面图

(d) 俯角15°探测等值线剖面图

采用Voxler软件绘制3D视电阻率等势面图，如图7所示。在掌子面前方17～30 m存在相对低阻异常区域，该异常区导电性相对较好，横穿隧道线路，垂向位置在洞身及隧道上部。根据瞬变电磁法的预报成果，及时布置了超前水平钻，钻孔布设在隧道掌子面正中心偏上部2 m位置，设计钻深30 m，在随后的钻进过程中，0～18 m钻进正常，无卡钻，钻孔返水成灰黑色，围岩弱风化，节理裂隙较发育； 18～29 m开始由渗水到股状出水，钻进较快，钻孔返水成土黄色。

图7 三维视电阻率异常等势面示意图

Fig. 7 Sketch of equipotential plane of 3D apparent resistivity anomaly

根据钻孔情况，在掌子面前方18～29 m钻进较快，有小股状出水、伴有风化的黄砂状黄土泥，据此推断是溶洞发育区，瞬变电磁探测结果显示该掌子面前方17～30 m是相对低阻区，物探解释成果与钻探结果吻合度很高。隧道物探异常区揭露情况现场照片如图8所示。

(a)

(b)

瞬变电磁超前预报结果与实际开挖情况吻合较好，说明采用多匝小回线装置在隧道掌子面布设三维探测角度进行瞬变电磁法地质预报是可行的。此外，由于采用三维空间数据采集，可以从更广阔的空间获得电性参数的空间分布，可对隧道掌子面前方大范围内的岩体的含富水性进行评价，成果的三维空间显示使异常形态和范围更加形象、直观、准确地展示在成果图中，从而提高了异常位置判断的精度，为隧道超前探水尤其是在岩溶发育区域地质预报提供了一种快速的技术手段。

4 结论与讨论

本文在分析、总结现有隧道超前地质预报技术的基础上，针对岩溶水设计了多匝小回线3D瞬变电磁探测技术，通过理论数值模拟和现场实践应用，有效地探测了掌子面前方岩溶发育范围，说明了该方法的适用性，也为相近地质问题隧道安全施工提供了参考技术方法，并得到以下结论：

1)通过试验可知，在隧道掌子面设计等间隔15°扇形剖面进行探测，探测时间短，施工效率高，能够满足探测精度的需要；

2)通过数值模拟富水溶洞的瞬变电磁响应规律可知，掌子面前方25 m和50 m的溶洞模型能够准确显示在二维断面成果图中，且形成近似圆形的低阻区域；

3)在岩溶发育区的应用结果表明，采用多匝小回线3D瞬变电磁探测技术有效地对掌子面前方的岩溶构造进行了预报，并给出了其三维立体空间的发育情况，探测结果与实际情况吻合较好。

本文研究也存在以下不足，需进一步研究：

1)对岩溶发育区充水和充泥情况瞬变电磁响应存在的差异需进一步分析；

2)岩溶发育的不规则性、多个小型岩溶连续发育等地质情况，应在下一步数值模拟中予以充分考虑；

3)在数据处理过程中应综合考虑隧道内的干扰因素(如支护条件、隧道空腔、开挖台车等)对最终解释成果的影响；

4)进一步研究三维数据采集数据点密度不等间隔对解释精度的影响。