瞬变电磁法在超前地质预报中的应用调研报告-成都理工大学

瞬变电磁法在超前地质预报中的应用

调研报告

成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室

2006年11月

一前言

在建的沪蓉国道主干线支线垫江至邻水高速公路段，共有明月山隧道（左线长6928m，右线长6944m）、大地坡连拱隧道(长331m)和铜锣山隧道（左线长5225m，右线长5235m）三座隧道。其中，明月山隧道和铜锣山隧道均为长大隧道，是该高速公路段的控制性工程。

明月山隧道和铜锣山隧道穿越了三叠系须家河组、雷口坡组和嘉陵江组以及侏罗系地层，主要岩性为泥质岩、砂岩、灰岩、白云质灰岩、盐溶角砾岩等；受地层岩性、地质构造和外动力地质条件的控制，隧道区岩溶较发育，在其富水地段存在严重涌（突）水或突泥、突砂的可能；在须家河组煤系地层中，虽经个别钻孔测试，隧道瓦斯压力均低，但并不能排除瓦斯对施工人员可能造成的巨大危害；初勘阶段的地应力测试表明，明月山隧道深部最大地应力达20MPa，有硬质岩发生岩爆的可能，铜锣山隧道也不能排除最大埋深段灰岩发生弱岩爆的可能性。此外，由第四系松散堆积层、强风化岩体组成的隧道进出口段、盐溶角砾岩段以及断层带和层间挤压破碎带、煤系地层段等，易发生塌方灾害并可能产生大变形。这两条隧道不仅是一条典型的岩溶隧道存在涌（突）水或突泥、突砂等问题，同时还伴有各种可能对施工构成威胁的地质灾害。

针对这些可能存在的问题，在明月山和铜锣山隧道的施工掘进过程中，分别采用了TSP、地质雷达（GPR）、地质素描分析、长短结合的超前探孔等多种方法开展超前地质预报工作。同时为了提高岩溶地段溶洞、涌水、突泥预报的准确度，还引进了针对岩溶问题的德国Beam超前地质预报技术，对比其他超前预报手段对该项技术进行了应用探索。这些方法在已施工的洞段中的综合应用和分析预报取得了良好的效果，但是仍然存在一定问题，尤其是Beam超前预报技术，由于该技术在国内高速公路隧道中的应用尚属首次，其操作方法以及安装应用特点还有待进一步改进，其预报效果也有待进一步的验证。

而目前明月山和铜锣山隧道均已施工至背斜核部进入岩溶槽谷区，发生涌水、突泥的可能性较大。在2006年11月6日召开的隧道超前地质预报工作中间检查评审会上，与会专家也提出除了要加强现有的超前地质预报工作，同时为防止隧道穿越岩溶槽谷区发生涌水、突泥等地质灾害，保证隧道掘进施工安全，还应按照设计文件要求增设对掌子面前方地下水和涌突水较为敏感的瞬变电磁法

进行超前地质预报。

瞬变电磁法是目前正在发展的一种新的隧道超前预报物探方法。相较电磁波法和弹性波法而言它有具有对低阻充水破碎带反映灵敏的特点，并且接收探头接收到的由激发涡流感应初的二次场，不论目标体产状如何，均能收到有用信号，对目标体进行成像，野外工作效率高，是一项极具发展前景的隧道超前预报新技术。

在多种超前预报方法综合分析预报的基础上，配合针对岩溶问题瞬变电磁法将很好的解决目前超前预报存在的主要问题，不仅对下一阶段的隧道施工安全将具有极为重要的意义，同时新方法的应用也会推动隧道超前预报的发展，丰富无损预测的手段，使得隧道的超前预测更加科学准确。

二瞬电磁法简介

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)，又叫时间域电磁法(Time-Domain Electromagnetic Methods)，简称TEM或TDEM。它是近年来国内外发展得较快、地质效果较好的一种电法探测分支方法，在国际上被称作是电法的二次革命。近年来，该方法得到迅速发展，特别是对探测低阻覆盖层下的良导电地质体取得了显著的地质效果。它主要应用于金属矿勘查、构造填图、油气田、煤田、地下水、地热以及冻土带和海洋地质等方面的研究，在国内外己取得了令人瞩目的效果。

瞬变电磁探测法最早美国科学家提出，原苏联研制出第一台实体装置，在地球物理勘探领域最早应用于矿产勘查。它是利用阶跃电磁脉冲激发，利用不接地回线向掌子面前方发射一次场，在一次场断电之后，测量由介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的超前预报方法。它的测量原理是利用不接地回线（或电偶源）向掌子面前方发送一次脉冲磁场（或电场），即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向前传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡过程（衰减过程），该过渡过程又产生一个衰减的二次场向前传播。用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势。得到二次场随时间衰减的特

性。与其它电探方法相比，它具有以下几个方面的主要优点：①由于断电后观测的是纯二次场异常，可以进行近区观测，因此自动消除了装置耦合噪声。可使用同点装置工作，与欲测的地质体有最佳的耦合，具有较高的探测能力，且受旁侧地质体的影响也很小，增强电性层分辨能力，同时，对地表局部低阻体无静态效应。②对于受到导电围岩及低阻覆盖层等地质噪声干扰的导电目标层的分辨能力优于其它电探方法。在高阻围岩条件下，不存在地形起伏引起的假异常；低阻围岩区起伏地形所引起的异常也比较容易识别。③可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得不同勘探深度。可用加大发射功率的方法增强二次场，从而增加勘探深度。④通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加和空间域多次覆盖技术应用，提高信噪比和观测精度。⑤每个测点可测量X、Y、Z三个磁场分量的变化信息。在剖面测量中，由于采用多测道测量，实际上也同时完成了每个点的测深测量，可以整理出多种剖面图及测深图，所获信息丰富。具有施工方便、测地工作简单、工作效率高及地质效果好等优点。

三瞬变电磁法在隧道超前地质预报领域的应用

隧道的工作环境不同于地面，因此不能随意的将地面工作环境使用的设备应用于隧道超前预报，要解决的关键技术问题是发射线圈和接收探头的问题，这是因为：1）如果利用接收线圈，由于受掌子面大小限制，接受面积不可能很大。另外，如果通过增大接收线圈匝数来增加接受面积，则会使接收线圈产生较大自身感应以及线圈之间的互感。2）如果直接利用接收线圈作为接收装置，那么接收到的信号不单接收掌子面前方的信号，而且还包括掌子面后方已开挖隧道部分的信号，并且受已开挖隧道支护钢拱架等影响较大。

通过对比试验和分析研究，目前已应用到隧道超前预报领域的瞬变电磁设备已经很好的解决了这个问题，通过特别研制的发射线圈和接收探头，根据目前的已进行瞬变电磁探测法的隧道超前预报工作，对掌子面前方的探测距离根据不同的地质条件已可达50米～80米。以下瞬变电磁法隧道超前预报实例：

1 宜万铁路XXX隧道