史存煥,劉黎東，賈祥雨

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 引 言

瞬變電磁法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在理論和實(shí)際應(yīng)用方面取得了較多的成果，成為了解決各種地質(zhì)問(wèn)題的一種有效方法[1,2]。該方法由于對(duì)良導(dǎo)體特別敏感，在煤田富水區(qū)范圍、金屬礦勘查以及工程地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。因此許多學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了研究，包括全區(qū)視電阻率計(jì)算[4-7]以及擬地震解釋等領(lǐng)域[8]。

在鐵路隧道施工領(lǐng)域，對(duì)于地下水的預(yù)報(bào)始終不能得到完美的解決?，F(xiàn)有的幾種常用地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，均對(duì)地下水的探測(cè)精度不高。而將瞬變電磁法應(yīng)用于煤礦井下水文勘查已有十多年時(shí)間，其理論及應(yīng)用均比較成熟[9]。

隨著我國(guó)隧道橋梁等建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害給施工安全帶來(lái)了嚴(yán)重隱患。對(duì)于隧道建設(shè)過(guò)程中涌水突泥災(zāi)害源的探測(cè)問(wèn)題，需要進(jìn)行深入研究，特別是隧道水體災(zāi)害超前預(yù)報(bào)方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。

瞬變電磁法具有高定向性、高分辨率、有效探測(cè)距離大、物探結(jié)果精度高、低阻體反應(yīng)敏感、成圖簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其作為一種隧道掌子面前方水體病害探測(cè)方法，在隧道超前預(yù)報(bào)方面得到了廣泛的應(yīng)用[10-13]。但是，瞬變電磁隧道超前預(yù)報(bào)仍主要沿用地面的中心回線(xiàn)裝置[14, 15]，該方法采用多匝小回線(xiàn)發(fā)射，互感影響嚴(yán)重[16, 17]。因此，本文提出一種共軸偶極的瞬變電磁方法，由于發(fā)射回線(xiàn)和接收回線(xiàn)分離，線(xiàn)圈之間互感可大大減少。目前幾乎無(wú)人將該裝置應(yīng)用于鐵路隧道內(nèi)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，因此，利用瞬變電磁法共軸偶極裝置進(jìn)行隧道內(nèi)的探水是一種極具發(fā)展前景的方法，可查明含水地質(zhì)體如巖溶洞穴與通道、深部不規(guī)則水體等。

2 方法技術(shù)

2.1 方法原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)的基本原理為電磁感應(yīng)定律[1, 2]，是利用不接地回線(xiàn)或接地線(xiàn)源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，利用線(xiàn)圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。其基本工作方法是于地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線(xiàn)圈，在其周?chē)臻g產(chǎn)生一次電磁場(chǎng)，并在地下介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電流；斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)布置

瞬變電磁法觀測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)字接收機(jī)、接收線(xiàn)圈、發(fā)射機(jī)、發(fā)射線(xiàn)圈、系統(tǒng)軟件及支撐框架組成。在隧道內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，由于觀測(cè)空間限制，只能采用偶極方式，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，要采用共軸方式，如圖1所示，接收線(xiàn)圈位于掌子面，發(fā)射線(xiàn)圈位于接收線(xiàn)圈后方6～8 m，觀測(cè)時(shí)保持發(fā)射線(xiàn)圈所在平面與接收線(xiàn)圈所在平面平行，且軸線(xiàn)處于同一條直線(xiàn)上。

圖1 接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈位置關(guān)系Fig.1 Position diagram of receiving coil and transmitting coil

采集參數(shù)設(shè)置：時(shí)間門(mén)為30，觀測(cè)時(shí)間為15～30 s，發(fā)射線(xiàn)圈為2 m×2 m×64匝的正方形激發(fā)線(xiàn)框，發(fā)射電流為1A, 接收線(xiàn)圈直徑1.0m，等效面積31.4 m2，基本頻率25 Hz，關(guān)斷時(shí)間150～200 μs；接收線(xiàn)圈位于掌子面。其中等效面積為接收線(xiàn)圈實(shí)際面積，其計(jì)算方式為：線(xiàn)圈匝數(shù)×單圈面積，即SD=N×π×R2。式中，SD為等效面積，單位m2;N為接收線(xiàn)圈匝數(shù);R為接收線(xiàn)圈半徑，單位m。

在外業(yè)工作時(shí)，采用多方位工作方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每次探測(cè)時(shí)，在水平方向上，發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈以左偏45°為基準(zhǔn)，在發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈上傾45°、上傾30°、上傾15°、0°、下傾15°、下傾30°、下傾45°時(shí)分別采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為一組數(shù)據(jù)，以同樣方法在左偏30°、左偏15°、0°、右偏15°、右偏30°、右偏45°分別采集一組數(shù)據(jù)，共計(jì)采集7組，一共49個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集期間接收線(xiàn)圈必須與發(fā)射線(xiàn)圈同步偏移，保持二者共軸平行。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)多方位數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.2 Schematic diagram of field multi direction data acquisition

2.3 全空間隧道模型正演

建立全空間三維隧道異常體模型，通過(guò)Tetgen軟件進(jìn)行四面體網(wǎng)格剖分。Tetgen 作為一個(gè)四面體網(wǎng)格生成器，它的目的是為數(shù)值模擬產(chǎn)生合適的四面體網(wǎng)格，通過(guò)有限元和有限體積法，對(duì)三維物體進(jìn)行四面體剖分。

首先建立整個(gè)空間區(qū)域模型，為消除邊界效應(yīng)，該模型需要有足夠大的體積。設(shè)置邊長(zhǎng)為20 km的正方體近似作為無(wú)限均勻空間，隧道空腔電阻率為108Ω·m的高阻體，背景電阻率1 000 Ω·m的圍巖介質(zhì)。

圖3是建立的隧道空間內(nèi)掌子面前方有一個(gè)球體的低阻異常體，球體距離掌子面50 m，半徑長(zhǎng)20 m，電阻率為10 Ω·m。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分軟件Tetgen進(jìn)行剖分，在異常體附近，如球體及其附近區(qū)域網(wǎng)格剖分得比較密，可以提高計(jì)算精度。在遠(yuǎn)離異常體的區(qū)域，如果接近邊界區(qū)域，網(wǎng)格一般會(huì)越來(lái)越大，因此主要是在保持精度滿(mǎn)足要求的前提下減少網(wǎng)格數(shù)，節(jié)約整個(gè)模型的計(jì)算時(shí)間。

圖3 模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of model

采用共軸偶極裝置進(jìn)行發(fā)射和接收，接收線(xiàn)圈靠近掌子面，發(fā)射線(xiàn)圈距離掌子面有5 m的距離，經(jīng)過(guò)有限元正演后得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖5所示。紅色虛線(xiàn)是沒(méi)有球體時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以看出，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，它是一條直線(xiàn)，表明背景均勻，而有球體存在的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在大約十微秒～幾十微秒這段出現(xiàn)向上凸起，說(shuō)明掌子面前方存在著低阻體，與模型一致，說(shuō)明該方法計(jì)算結(jié)果正確，理論上是可行的。同時(shí)，也計(jì)算了該點(diǎn)的視電阻率，如圖6所示，均勻全空間電阻率是1 000 Ω·m， 如紅色虛線(xiàn)所示，藍(lán)色的是有低阻球體的視電阻率，明顯的向下凹陷，與實(shí)際模型一致，說(shuō)明基于共軸的偶極裝置的瞬變電磁方法在理論上可行。由于互感現(xiàn)象是發(fā)射和接收線(xiàn)圈匝數(shù)多而引起的，實(shí)際理論模型難以模擬，這方面可參考相關(guān)文獻(xiàn)[17]。

圖4 網(wǎng)格剖分示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh

圖5 全空間隧道模型正演感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.5 Voltage of central point

圖6 全空間隧道模型視中心點(diǎn)電阻率Fig.6 Apparent resistivity of the central point

3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理流程主要為以下步驟：數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)濾波、視電阻率計(jì)算、反演、切片提取(圖7)。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程Fig.7 Data processing flow chart

3.2 反演

3.2.1 反演方法的種類(lèi)及特點(diǎn)

采用REATEM瞬變電磁處理系統(tǒng)進(jìn)行反演。該系統(tǒng)是處理瞬變電磁儀器探測(cè)數(shù)據(jù)的專(zhuān)業(yè)處理軟件，支持國(guó)內(nèi)外多種儀器的數(shù)據(jù)處理，分為半空間和全空間版本，有多種先進(jìn)的反演算法，高度自動(dòng)化、人性化[18-21]。

反演方式分為薄板電導(dǎo)反演、差分電導(dǎo)反演、快速反演、精確反演。其中，薄板電導(dǎo)反演和差分電導(dǎo)反演計(jì)算結(jié)果為視電導(dǎo)率，快速反演和精確反演計(jì)算結(jié)果為視電阻率。

薄板電導(dǎo)反演理論基礎(chǔ)為“浮動(dòng)薄板理論”，又稱(chēng)等效導(dǎo)電平面法，是根據(jù)視縱向電導(dǎo)曲線(xiàn)特征值直觀地劃分地層的一種近似解釋法。其整體計(jì)算精度一般，但電性分層效果較為明顯，連續(xù)性好，所以較適用于地質(zhì)剖面劃分、大的構(gòu)造識(shí)別等。

差分電導(dǎo)反演是采用有限差分法進(jìn)行反演：以差商代替微商，通過(guò)把連續(xù)微分方程轉(zhuǎn)化為離散的差分方程，從而求得原方程近似解。其整體計(jì)算精度一般，中淺部效果較為良好?？捎糜趯?duì)中淺部信號(hào)的對(duì)比識(shí)別。

快速反演是在實(shí)際解釋工作中將實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)計(jì)算全區(qū)視電阻率，采用“煙圈”反演方法進(jìn)行全局優(yōu)化，其反演速度快，直接計(jì)算，適應(yīng)范圍廣，但精度低，適用于在干擾大的情況下使用。

精確反演同樣是將實(shí)測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)計(jì)算全區(qū)視電阻率，不同的是，采用“煙圈”反演方法，進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，其計(jì)算精度高，是推薦使用的算法，但在干擾大時(shí)，容易出現(xiàn)數(shù)值越界、無(wú)解等，計(jì)算同樣也會(huì)放大干擾，抗干擾能力差。

共軸偶極瞬變電磁法以U45(接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈上仰45°)狀態(tài)下的4種反演結(jié)果為例，對(duì)反演方法的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。薄板反演和差分反演計(jì)算結(jié)果為視電導(dǎo)率，其一致性較差；快速反演與精確反演算結(jié)果為視電阻率，其一致性較好，如圖8所示，前兩種方法采用的是電導(dǎo)率參數(shù)，后兩種方法采用的是電阻率參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是互為倒數(shù)的關(guān)系。

圖8 U45狀態(tài)下反演結(jié)果Fig.8 Inversion results under U45 state

3.2.2 反演模型的建立

在隧道中，用共軸偶極瞬變電磁法對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，發(fā)射線(xiàn)圈直立于隧道內(nèi)，需要進(jìn)行地下全空間反演。全空間反演考慮了周?chē)臻g的綜合影響，隧道已開(kāi)挖段空腔作為高阻體參與反演。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，二次場(chǎng)在接收線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)電流，所以接收到的信號(hào)表征了前后方低阻體的信息，是整個(gè)空間共同作用的結(jié)果。對(duì)瞬變電磁法進(jìn)行反演分析(反演流程見(jiàn)圖9)，最重要的是要建立正確的模型。

3.3 解譯原則

1)若掌子面前方存在單一富水溶洞，視電阻率等值線(xiàn)會(huì)在溶洞所在區(qū)域發(fā)生彎曲甚至閉合，且在該處視電阻率值較其他區(qū)域明顯偏低；

2)若掌子面前方存在多個(gè)富水溶洞，視電阻率等值線(xiàn)會(huì)在多個(gè)溶洞對(duì)應(yīng)區(qū)域發(fā)生彎曲甚至閉合，且在該處視電阻率值較其他區(qū)域明顯偏低；

3)若掌子面前方存在較大干溶洞，視電阻率等值線(xiàn)會(huì)在溶洞所在區(qū)域出現(xiàn)高阻反映；

4)若掌子面前方存在多處含水裂隙(溶隙)，視電阻率等值線(xiàn)會(huì)在對(duì)應(yīng)區(qū)域發(fā)生小范圍的閉合，且在該處視電阻率值較其他區(qū)域偏低；

5)若掌子面前方無(wú)不良地質(zhì)體，視電阻率等值線(xiàn)基本呈直線(xiàn)，且視電阻率值隨深度的增加而均勻增大。

4 案例分析

4.1 與TSP法對(duì)比分析

在某隧道平導(dǎo)PDK323+099～+196段施作瞬變電磁法探測(cè)，與對(duì)應(yīng)段TSP預(yù)報(bào)結(jié)果及實(shí)際開(kāi)挖情況進(jìn)行了對(duì)比(表1)。

表1 瞬變電磁法與TSP探測(cè)預(yù)報(bào)成果及實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比

從表1的對(duì)比結(jié)果可知，瞬變電磁法預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開(kāi)挖情況相符，其中TSP在判別圍巖完整程度、軟硬程度、構(gòu)造發(fā)育及地下水整體發(fā)育情況方面有著較好的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于水量的變化基本上判別不出來(lái)；瞬變電磁法對(duì)地下水發(fā)育情況較為敏感，能夠判別出地下水發(fā)育及水量的變化情況，而對(duì)于圍巖完整程度、軟硬程度、構(gòu)造發(fā)育情況，則不能很好地進(jìn)行識(shí)別。

圖10 平導(dǎo)PDK323+099～+196瞬變電磁法探測(cè)成果Fig.10 Flat guide PDK323+099～+196 results of TEM

圖11 平導(dǎo)PDK323+147.4～+267.4段TSP法探測(cè)成果Fig.11 Flat guide PDK323+147.4～+267.4 results of TSP

4.2 與地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用對(duì)比

在某隧道平導(dǎo)PDZK196+643～+743段與正洞D1K231+530～+430段施工做業(yè)瞬變電磁法探測(cè)，與對(duì)應(yīng)段地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)結(jié)果及實(shí)際開(kāi)挖情況進(jìn)行了對(duì)比(表2)。

表2 瞬變電磁法與地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)成果及實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比

由表2的對(duì)比結(jié)果可知，平導(dǎo)PDZK196+643～+743段瞬變電磁法預(yù)報(bào)成果均與實(shí)際開(kāi)挖情況相符，D1K231+530～+430段與實(shí)際開(kāi)挖情況不相符。其中地質(zhì)雷達(dá)法在判別圍巖完整程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況方面有著較好的優(yōu)勢(shì)；瞬變電磁法對(duì)地下水發(fā)育情況較為敏感，能夠判別出地下水發(fā)育情況，而對(duì)于巖體狀況則不能很好地進(jìn)行識(shí)別。

同時(shí)，由于瞬變電磁法對(duì)低阻體較為敏感，極易受到外界低阻異常(地面積水、金屬物體等)干擾，形成假異常，造成對(duì)探測(cè)結(jié)果誤判。推測(cè)受臺(tái)車(chē)影響，導(dǎo)致D1K231+530～+430段預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開(kāi)挖情況不相符。

瞬變電磁進(jìn)行隧道超前探測(cè)雖然有效，但仍然存在著很多問(wèn)題，比如各種金屬干擾以及交流電的干擾，來(lái)自于后方或旁側(cè)不良地質(zhì)體異常的影響。瞬變電磁法之所以能夠探測(cè)由淺到深的地下介質(zhì)，主要是因?yàn)槠浔旧眍l帶很寬，難以采用屏蔽天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，在全空間中測(cè)量的信號(hào)可能來(lái)自接收線(xiàn)圈的后方，即受掌子面后方異常體的影響，這在實(shí)際中應(yīng)該注意。目前在實(shí)際施工中主要采取的原則是寧可多報(bào)，不可漏報(bào)，即使掌子面后方的不良地質(zhì)體影響，也要進(jìn)行異常解釋。傳統(tǒng)的中心回線(xiàn)裝置和本文提出的共軸偶極裝置都存在類(lèi)似的問(wèn)題，但共軸偶極裝置瞬變電磁在減小早期的互感方面有較好的效果。

圖12 PDZK196+643～+743瞬變電磁法探測(cè)成果Fig.12 PDZK196+643～+743 Results of TEM

圖13 D1K231+530～+430 瞬變電磁法探測(cè)成果Fig.13 D1K231+530～+430 results of TEM

圖14 PDZK196+643～PDZK196+736地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)成果Fig.14 PDZK196+643～PDZK196+736 Results of Ground penetrating radar method(GPR)

5 結(jié) 論

1)首先通過(guò)三維有限元正演模擬，驗(yàn)證了基于共軸偶極裝置的瞬變電磁隧道超前探測(cè)方法在理論上正確可行的，能夠作為隧道前方水體災(zāi)害的有效超前探測(cè)方法。

2)通過(guò)實(shí)際隧道超前探測(cè)實(shí)例，說(shuō)明共軸偶極裝置瞬變電磁方法在隧道超前探測(cè)中的應(yīng)用效果，其不僅可以降低互感的影響，提高對(duì)淺部介質(zhì)的探測(cè)能力，而且可以對(duì)深部不良水體災(zāi)害有較好的反映。通過(guò)與TSP、地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)成果的綜合對(duì)比分析，得出將共軸偶極瞬變電磁法應(yīng)用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，具有對(duì)低阻體(水體)敏感、探測(cè)深度大、預(yù)報(bào)周期短等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

3)即使采用共軸偶極裝置的瞬變電磁裝置，也難以消除各種干擾及掌子面后方不良水體的影響，在實(shí)際工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各種干擾因素的辨識(shí)，同時(shí)需要進(jìn)一步研究掌子面后方不良水體對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響規(guī)律，以最大限度減少解釋的多解性。