广西大学土木建筑工程学院硕士研究生课程作业（论文）
课程高等岩石力学
任课教师林育梁教授
学号1003302009
姓名刘宗辉
成绩
瞬变电磁法用于南方隧道超前预报
摘要：该文以瞬变电磁法在岑汶高速路某些隧道超前预报中的应用为例, 介绍了瞬变电磁法的原理、方法及取得的成果。
经与实际开挖情况做综合对比, 表明瞬变电磁法在隧道超前预报中, 对含水溶洞等不良地质体的发育情况具有快速、高效的勘探效果, 且与实际情况非常吻合, 为隧道施工提供了可靠的物探依据。
关键词：瞬变电磁法隧道超前预报
Abstract ：Taking the application of TEM for advanced prediction of a tunnel in Chuan Shan expressway as example, the principles, method and the obtained results of TEM are introduced Compared comprehensively with the actual excavating situation, it shows that it is effective and speedy to advanced predict ion for the development of unfavorable geological bodies such as water bearing cave in tunnel, and it accords well with the actual results, so it offers a reliable basis for geophysical prospecting of tunnel construction.
Keywords : transient electromagnetic method (TEM) ; advanced predict ion of tunnel
1 . 引言
近年来, 随着国民经济的高速发展, 高速铁路、高速公路、城市轨道交通等工程大规模的建设, 长大隧道数量也越来越多, 隧道施工安全经常成为控制整个工程进展的瓶颈。
岩溶及裂隙水在隧道施工中经常遇到, 它容易导致掌子面涌水、突泥, 围岩及支护变形、开裂及坍塌, 严重影响施工进度, 危及施工安全。
为此, 各种隧道超前预报方法应运而生, 其中, 瞬变电磁法是以电磁感应原理来预测含水溶洞等不良地质体的物探方法, 在含水溶洞等不良地质体的超前预报中, 有着很好的适用性和有效性。
2 . 工程地质概况：
山心隧道穿越岑溪市岑城城镇钓石村及岑溪市大隆镇均昌峒之间的崇山峻岭，隧道中部还从岑溪市岑城镇山心村下部穿过。
设计隧型为分离式小净距隧道，两洞车道中心线（路线设计线）间距为30m，两洞净距为17m。
右线起讫桩号为CK+477～CK10+765，长4228m，设计高程为317.03～303.84m；左线起讫桩号为DK6+455～DK10+725，长4270m，设计高程为316.92～304.48m。
最大埋深约为450m，左、右线隧道均属特长隧道。
隧址区位于广西东南部的构造侵蚀型中低山地貌区，云开大山北麓东段，峰脊线基本呈东-西或北东-南西走向，高程250.00～806.00m，相对高差约556.00m，由于长期的构造作用及地表流水的侵蚀作用，地形起伏较大，山体较大，山高坡陡，“V”型沟谷发育。
总体上看，隧址区以近东西向的马岭顶——流瑶平顶为最高峰脊线，地形呈中间高、两边低的抛物形状。
地表植被较发育，主要为第四系残坡积层覆盖，局部有风化混合岩出露。
3 . 瞬变电磁法的基本原理与工作方法
3 .1 瞬变电磁法的基本原理
瞬变电磁法是一种时间域电磁法, 它是利用阶跃波形电磁脉冲激化, 用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场, 在一次场断电后, 地下介质就会产生感应的二次场, 由于导电介质内感应电流的热损耗, 二次场大致按指数规律随时间衰减, 形成瞬变电磁场。
二次场主要来源于良导电介质内的感应电流, 因此它包含着与地下介质有关的地质信息。
良导电介质较不良导电介质的二次场衰减慢。
利用线圈或接地电极观测一次脉冲电磁场产生的二次场, 对所测的数据进行处理和分析, 据此, 解释地下介质及相关物理参数。
3.2 现场工作方法
本次工作使用的仪器为由中国地质大学高科资源探测仪器研究所研制的CUGTEM-8瞬变电磁仪。
根据隧道工作特点及工作要求, 我们选用1.5m×1.5m四匝发射线框, 1.5m×1.5m四匝接收线框的重叠回线工作装置。
该方式的优点是与目的物耦合较好; 发射线圈逐测点移动, 不会有激发盲区; 发射磁矩和接收磁矩较大; 适合场地要求如图1：
图1
4 . 应用实例
梧州岑汶高速路某隧道超前预报中, 参数的选择是做了多次匹配调试, 总结出一套较为合适该隧道地质超前预报的参数。
4.1 影响探测深度的因素
结合现场试验得出, 探测深度与下列因素有关:1) 与所探测地层的电阻率有关。
电阻率越大,探测的越深;2) 与发射线圈的边长有关。
边长越长, 探测深度越大;3) 与发射机的阻尼电阻有关。
阻尼电阻的阻值越小, 阻尼越大, 一般选择原则是宁过勿欠。
通过试验选择了450! 的最佳阻尼。
4) 与发射频率有关。
根据趋肤效应原理, 原则上频率越小, 深度越大。
通过反复试验选出最佳的两个频率1Hz 和4Hz, 其它频率参数仅供参考。
5) 与供电电流有关。
供电电流取决于供电电压和发射阻尼, 但是由于隧道空间有限, 我们只能用小功率发电机发电, 一定程度上限制了探测深度。
本次探测选择供电电压为38V，供电电流选择100A，供电脉宽10ms，叠加
次数30次。
4.2 数据采集及处理
现场采集数据之前, 我们首先要将干扰降低到最低, 比如把台车拉离掌子面20m 以上; 然后组装仪器, 先采集一组数据作为试验, 调试参数; 最后开始连续采集, 逐点移动线框, 直至完成全部采集。
数据处理是通过Cltempro电法数据处理软件中的中心( 重叠) 回线瞬变电磁处理模块来进行的。
具体处理流程如下:
导入原始数据, 输入测点坐标光滑测点数据, 剔除强干扰信号; 校正及滤波; 视电阻率及视深度计算; 输出测段里程- 视电阻率断面图, 如图2 所示。
图2
4.3 资料解释
资料解释就是将现场探测到的数据采用相关反演分析软件进行处理, 得到上述资料图示, 同时结合前期的地质勘察资料以及预报掌子面的地质素描对预报段进行准确的地质预报。
本次对隧道右线出口端、DK10+467～DK10+367段进行了瞬变电磁法超前地质预报, 图1 为预报成果图。
从视电阻率等值线纵深剖面图来看，出口处DK10+412～DK10+402段、DK10+395～DK10+389段出现明显的低阻异常区，并且相对视电阻率变化稍大，预计该段围岩节理、裂隙发育，局部可能存在不均匀风化层，含水量较大。
5 . 瞬变电磁法的优缺点
5.1 优点
1) 瞬变电磁法操作简单, 预报时间短, 不会影响隧道施工进度;
2) 瞬变电磁法对岩溶水非常敏感, 对岩溶水、溶洞的探测较为准确;
3) 相对地质雷达, 探测距离比较远。
5.2 缺点
1) 低阻体特别是金属支护结构对该方法影响较大;
2) 发射线圈和接收线圈的互感效应对信号的采集有一定的干扰;
3) 瞬变电磁法只能对低异常反应明显, 对围岩稳定性、破碎程度的判断不准确。
6 结论
通过本次瞬变电磁法对川陕某高速公路隧道超前预报的应用, 表明瞬变电磁法在含水溶洞等不良地质体的隧道超前预报中的成果与实际情况非常吻合, 说明应用瞬变电磁法进行超前地质预报, 特别是应用于超前含水性的预报有着广阔的前景。
但在实际的应用过程中, 瞬变电磁法也存在着一些问题, 比如, 掌子面附近钢拱架、锚杆等金属支护结构对测量结果的影响; 探测深度取决于发射电流、发射线圈尺寸及匝数、阻尼电阻等, 这些参数应根据现场实验情况综合选择。
另外, 应当特别值得注意的是, 由于物探的多解性, 完全依靠单一的物探方法是不足以解决隧道不良地质的超前预报问题的, 要借助于多方法综合分析判断, 才能得出更加科学准确的成果。
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