广东广州中煤建工华南建设有限公司 史朝立 510170
【摘要】由于隧道施工常常遇到由于不良地质情况引发的突发状况，相当有必要对隧道进行探测，以提前发现各种不良地质情况。以广州某隧道为例，介绍了高精度瞬变电磁法在隧道探测中应用的技术方案，根据高精度瞬变电磁法结果，为隧道施工提供技术支持。结果显示，高精度瞬变电磁法在隧道探测取得了较好的预测效果。
【关键词】隧道；瞬变电磁法；
0 引言
瞬变电磁法（TEM）是以不接地回线或接地长导线供以双极性脉冲电流产生激发电磁场（图1-a），在该电磁场的激励下，导电地质体受感应而产生涡旋电流。由于导电地质体是非线性的，所以脉冲电流从峰值跃变到零，一次磁场立即消失，而涡流并不立即消失，有一个瞬变过程，这个过程的快慢与导体的电性参数有关。地质体的导电性愈好，涡流的热耗损愈小，瞬变过程则愈长。这种涡流瞬变过程，在空间形成相应的瞬变磁场（图1-c），脉冲电流关断期间在地面观测瞬变磁场，即观测二次磁场（图1-b），就可发现地下异常地质体的存在，从而确定地下导体的电性结构和空间分布形态。【5】
数据采集使用 HPTEM-18 型高精度瞬变电磁系统，该系统基于等值反磁通法原理，采用统一标准垂直发射磁源、高灵敏磁感应接收传感器以及高密度测量等技术实现了浅层高精度瞬变电磁勘探。
等值反磁通瞬变电磁法是测量等值反磁通瞬态电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法。具体技术思路与方案是：以相同两组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中新耦合的纯二次场。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一组线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大，因此，在相同的变化时间下，感应涡流的极大值面集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面，并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散，即“烟圈效应”。涡流极大值面的扩散速度和感应涡流场值的衰减速度与大地电性参数有关，一般在非磁性大地中，主要与电导率有关：大地电导率越大，扩散速度越小，衰减得越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率信息，这就是等值反磁通瞬变电磁法的物理原理。【5】
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1 工程概况
本工程位于广州市，拟建设长度2.12km隧道，为某双向六车道城市主干路。隧道采用矿山法施工。
根据勘察报告，项目地层自上而下为为杂填土（1-1）、素填土（1-2）、粉细砂（3-1）、中粗砂层（3-2）、砾砂层（3-3）、淤泥质土层（4-1）、可塑状冲积-洪积粉质黏土层（4-2）、坡积土粉质黏土（4-3）、硬塑状侵入岩残积土层（5-1）、燕山期侵入岩全风化带（6）、砂土状强风化层（7-1）、碎块状强风化层（7-2）、燕山期侵入岩中风化带（8）、燕山期侵入岩微风化带（9）。
为保障隧道安全施工，需要查明线路范围裂隙节理、风化破碎带的发育范围及地质特征、探查线路范围的隐伏构造情况，查明其倾向、走向、规模等地质特征、探查线路范围是否有断裂情况、探查线路范围内的富水地层和软弱地层情况。
2勘探方法
根据收集工区地质资料、以往物探工作情况及岩性分析，不同风化程度的围岩、覆盖层的电阻率存在明显的差异，这是采用电磁类方法的前提。结合现场实测，工区不同岩性物性参数见表1。
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根据场地情况，本项目拟采用高精度瞬变电磁方法开展地面物探工作。
3地球物理探
3.1测线布设
探测方式采用逐点连续观测方式，以形成二维剖面观测。物探测线沿拟建驻地范围内现场条件布设，部分测点为避免干扰，稍有偏移。高精度瞬变电磁测点点距25m，采集参数满足探测深度要求。
本次高精度瞬变电磁探测设备采用国产 HPTEM-18 型高精度瞬变电磁系统，主要包括 HPTEM 天线（线框）、仪器主机、连接缆和操作 PC 组成，见图 2
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图2 HPTEM-18 型高精度瞬变电磁设备
HPTEM-18 型高精度瞬变电磁系统基于等值反磁通法原理，采用统一标准垂直发射磁源、高灵敏磁感应接收传感器、高速 24 位采集卡以及高密度测量等技术实现浅层高精度瞬变电磁勘探，综合性能处于国际领先地位。
该系统发送机采用高度集成的电路结构和高速的开关器件，实现大梯度线性关断，保证了每次关断的一致性，形成稳定的一次磁场和涡流，同时，大梯度线 性关断有效缩短了关断时间，减少了浅层数据的失真。接收机采用程控分段放大，提高了系统的动态范围，24bit、625KSPS 的采样率保证了数据精度和信号带宽；传感器采用超低噪声放大器，降低了系统噪声，整个信号通路采用全差分结构，能有效压制各种外界环境干扰。
3.2 数据采集
（1）采集参数
主要采集参数设置如下：
发送频率：6.25Hz；发送电流：9.5～10.5A；关断时间：60.0~70.0μs；接收频
率：625000Hz；叠加次数：200 次；重复采样：2次；定点测量方式。
（2）抗干扰评价
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图 3 二次场衰减曲线实测评价
图3 为现场实测瞬变电磁二次场衰减曲线，该场地进出口洞门处地下管道及各种人文干扰很强烈，其余段落主要位于山岭之中，干扰较小。从实测二次场衰减曲线来看，曲线平滑稳定衰减，且几乎无震荡畸变现象，证明该方法抗电磁干扰能力强，在城区场地能获得可靠的地下介质信息，适于本工区的物探勘察。
（3）数据采集
高精度瞬变电磁数据采集采用独立定点观测，经过逐点连续观测方式，以形成二维剖面观测。HPTEM-18 系统通过 Wi-Fi 无线连接主机与平板电脑或 PC 实现数据采集显示控制，可实时查看二次场衰减曲线。如发现曲线震荡畸变情况，立即进行场地环境及设备检查，排除干扰因素，保证数据采集质量。现场采集时尽量避免强电磁干扰源、大型金属物体，保持天线水平并与地表耦合紧密。
3.3 质量评价
数据正式采集之前，均对仪器进行一致性检测。数据采集严格按照规范要求进行，严格进行班报记录。检查工作量达到 10%以上，符合规范要求；检查观测的波形或衰减曲线与原波形或衰减曲线具有特征一致性。进行室内数据分析评价后，认为本次数据质量合格。
4数据整理分析
4.1成果
物探数据处理采用专业软件进行处理，使用 Surfer 软件成图，网格化采用带线性插值的高精度三角剖分方法。主要成果形式为高精度瞬变电磁视电阻率剖面图。
高精度瞬变电磁成果剖面中使用不同颜色区分不同电阻率，红色为低阻，对应软弱岩层或岩石破碎区，在设计施工中必须注意；黄色为中低阻，岩石完整性较差，裂隙发育，白色为中阻，岩石较完整，局部发育裂隙，蓝色为高阻，岩石完整。
本次高精度瞬变电磁成果剖面共2条，标识为TMP-HLS-1、TMP-HLS-2。
4.2分析原则
（1）地层界线（土石及岩性分界），在剖面成果图中，依据视电阻率变化梯度，并以钻孔揭示岩性界面标定视电阻率值，以此标定值划分土石及岩性界线；无钻孔段落则参照临近工区地球物理 特征参数值或经验值划分地层结构。
（2）I 类异常，根据以往隧道施工经验，电阻率发生剧烈变化的区域往往是风险较高的区域，电阻率发生剧烈变化表明该处岩石物理性质或完整性发生较大变化。高低阻变化位置，往往是承压地下水的位置，施工过程中极易发生塌方、冒顶、突水、突泥等危险地质灾害，故对该区域重点标识为 I类高风险区。根据经验I类高风险区大致对应于地质围岩的Ⅴ、Ⅳ级围岩。II 类异常，根据经验II类高风险区，大致对应地质围岩分级中的Ⅳ级围岩。该类异常临近高低阻变化剧烈的低阻区，围岩的完整性差，也是容易出现施工风险的区域。由于施工穿越较剧烈的高低阻变化处后，地下水基本得到释放，围岩缺乏水的作用危险性显著降低。
（3）岩体完整性主要标识岩体完整性差或破碎区、岩体完整性较差区等相对危险区。岩体完整性分类主要根据某狭小区域地层的电性特征进行整体评价。根据以往地质资料，场地稳定、完整地层的岩性电阻率范围可大致确定，当局部区域出现电阻率偏离该范围，则该区域岩石完整性发生变化。岩体完整性差或破碎区对应裂隙发育严重、或岩性分界处；而完整性较差区其电阻率变化也较小，其对应区域裂隙较发育、岩石成分变化区或薄层低阻岩性所占比重发生变化。
4.3 综合分析
（1）TMP-HLS-1
该段高精度瞬变电磁测线长度 1958m。将该段测线分为三段进行分析：
第一段，ZDK1+518~ZDK1+743。视电阻率剖面显示，地层各层特征明显，结合勘察报告，该段地层可分为三层：第1层，第四系覆盖层及全风化岩，ρs=10～180Ω·m，层厚约 5.7～14.9m；第 2 层为强风化岩，ρs=108～350Ω·m，层厚约 5.9～10.2m；第三层为中、微风化岩，ρs>350Ω·m。该段隧道洞身围岩电阻率相对较低，推断岩体完整性较差，风化强烈，且破碎、富水，设计施工时应注意塌方、涌水等地质灾害。其中 ZDK1+640～ZDK1+744 段电阻率变化剧烈，围岩电性差异较大，岩层连续性被切断，定为 II 类高风险区 WTII-1，设计施工时尤其应注意塌方、涌水等地质灾害。
第二段，ZDK1+743~ZDK3+245。视电阻率剖面显示，地层各层特征明显，结合勘察报告，该段地层可分为三层：第1层，第四系覆盖层及全风化岩，ρs=10～180Ω·m，层厚约 0～19.5m；第2层为强风化岩，ρs=108～350Ω·m，层厚约 3.1～19.7m；第三层为中、微风化岩，ρs>350Ω·m。该段7隧道洞身围岩电阻率整体呈中高值，推断岩体较完整。
第三段，ZDK3+245~+ZDK3+476。视电阻率剖面显示，地层各层特征明显，结合勘察报告，该段地层可分为三层：第1层，第四系覆盖层及全风化岩，ρs=10～180Ω·m，层厚约5.2～29.5m；第2层为强风化岩，ρs=108～350Ω·m层厚约4.2～21.8m（ZK3+246~ZDK3+300）；第三层为中、微风化岩，ρs>350Ω·m。该段隧道洞身围岩电阻率相对较低，推断岩体完整性较差，风化强烈，且破碎、富水，设计施工时应注意塌方、涌水等地质灾害。其中 ZDK3+287～ZDK3+327段及ZDK3+430～ZDK3+471段电阻率变化剧烈，围岩电性差异较大，岩层连续性被切断，分别定为 II 类高风险区 WTII-2、WTII-3，设计施工时尤其应注意塌方、涌水等地质灾害。结合右线测线 TMP-HLS-2 情形，并考虑异常平面位置关系，推断在 WTII-2、WTII-3、WTII-5、WTII-6 处存在基岩风化破碎带，标识为 PS-1。
（2）TMP-HLS-2
第一段，YDK1+530~+YDK1+725。视电阻率剖面显示，地层各层特征明显，结合勘察报告，该段地层可分为三层：第1层，第四系覆盖层及全风化岩，ρs=10～180Ω·m，层厚约 4.2～9.1m；第2层为强风化岩，ρs=108～350Ω·m，层厚约4.7～15.9m；第三层为中、微风化岩，ρs>350Ω·m。该段隧道洞身围岩电阻率相对较低，推断岩体完整性较差，风化强烈，且破碎、富水，设计施工时应注意塌方、涌水等地质灾害。其中 YDK1+640～YDK1+726 段电阻率变化剧烈，围岩电性差异较大，岩层连续性被切断，定为 II 类高风险区 WTII-4，设计施工时尤其应注意塌方、涌水等地质灾害。
第二段，YDK1+725~YDK3+270。视电阻率剖面显示，地层各层特征明显，结合勘察报告，该段地层可分为三层：第 1 层，第四系覆盖层及全风化岩，ρs=10～180Ω·m，层厚约 0～15.7m；第 2 层为强风化岩，ρs=108～350Ω·m，层厚约 2.9～19.2m；第三层为中、微风化岩，ρs>350Ω·m。该段隧道洞身围岩电阻率整体呈中高值，推断岩体较完整。
第三段，YDK3+270~YDK3+476。视电阻率剖面显示，地层各层特征明显，结合勘察报告，该段地层可分为三层：第 1 层，第四系覆盖层及全风化岩，ρs=10～180Ω·m，层厚约 4.1～12.5m；第2层为强风化岩，ρs=108～350Ω·m ,层厚约 12.0～21.2m（YDK3+270~YDK3+395）；第三层为中、微风化岩，ρs>350Ω·m。该段隧道洞身围岩电阻率相对较低，推断岩体完整性较差，风化强烈，且破碎、富水，设计施工时应注意塌方、涌水等地质灾害。其中YDK3+347～YDK3+392 段及 YDK3+445～YDK3+476 段电阻率变化剧烈，围岩电性差异较大，岩层连续性被切断，分别定为 II 类高风险区 WTII-5、WTII-6，设计施工时尤其应注意塌方、涌水等地质灾害。结合左线测线 TMP-HLS-1 情形，考虑异常平面位置关系，推断在 WTII-2、WTII-3、WTII-5、WTII-6 处存在基岩风化破碎带，标识为 PS-1。
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图 3 左线隧道测线TMP-HLS-1
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图 4 右线隧道测线TMP-HLS-2
5 结论
本次地面物探成果依据高精度瞬变电磁视电阻率的数值差异及分布形态进行了综合对比分析，参照地质勘察资料，基本查清了隧道工程的地层结构状况，对第四系覆盖层分布、土石界线及强风化基岩面做出了比较清晰的划分和揭示，对相关可能存在的高风险异常、基岩风化破碎带进行了圈定，为施工提供了初步依据。
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