瞬变电磁法（TEM）在高速公路隧道围岩含水超前探测中的应用

张伟，丁海涛，杨纬卿

摘要：瞬变电磁法测深是以电阻率的差异来区分岩性及构造体并根据电阻率值的大小以及在地下的展布形式来识别地下地质体的空间分布和性质的一种物探方法^[1]。本文采用瞬变电磁法对云南某高速公路隧道一端掌子面前方及周边围岩含水情况开展超前探测，分析掌子面前方岩体结构地下水的分布特征。

关键词：瞬变电磁法；超前探测；裂隙水；高速公路隧道

瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。图1为其基本工作方法：于边墙或掌子面设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减^[2]。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

影响电阻率的主要因素有矿物成分、岩石的结构、构造及含水情况等。根据经验统计和工区地球物理的反演结果分析，得出测区内各地层的电阻率值。不同地层的电性分布具有一定规律：煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。由于地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上固定的变化规律，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体，从而有效判别区域含水程度^[3]。

图1 瞬变电磁法工作原理

1. 工况概况

云南某高速公路隧道进口端、出口端经调查地下水类型主要为基岩裂隙水，赋存与岩体裂隙中，地下水仅沿其细小的层间裂隙、岩体节理运动，主要受大气降水补给，并受岩石完整性及裂隙开启程度制约，水量一般较贫乏，呈脉状、现状排泄。在隧道浅埋段或岩体破碎地带，由于基岩裂隙发育，地表水易下渗，地下水流通较好，受降水影响在雨季开挖时可能存在渗水、淋雨状甚至涌水状出水现象。面对复杂的地质情况，采用瞬变电磁仪对该隧道一端掌子面前方及周边围岩含水情况开展超前探测，分析掌子面前方岩体结构地下水的分布特征。

2. 测线布置

根据隧道内实际施工现状，本次探测分别选择沿掌子面底部斜角、地面下方横向位置和掌子面右侧竖向位置,以及左右侧壁竖向各布置1条测线，共计5条测线。具体布置情况如下：掌子面下部倾斜角测线起点位于掘进掌子面左侧下部斜角位置，止点位于掌子面右侧下部斜角位置，从左向右以平均0.6m测点间距紧贴掌子面进行连续性探测；掌子面后方地面底部测线起点位于掘进掌子面左侧地面处，止点位于掌子面右侧地面处，从左向右以平均0.75m测点间距紧贴地面进行连续性探测；掌子面右侧竖向测线起点位于掘进掌子面右侧上部竖向位置，止点位于掌子面右侧下部竖向位置，从上往下以平均0.83m测点间距紧贴掌子面进行连续性探测；掌子面左侧壁竖向测线起点位于掘进掌子面左侧基岩面上部，止点位于掌子面左侧基岩面下部，从上往下以平均0.77m测点间距紧贴掌子面进行连续性探测；掌子面右侧壁竖向测线起点位于掘进掌子面右侧基岩面上部，止点位于掌子面右侧基岩面下部，从上往下以平均0.6m测点间距紧贴掌子面进行连续性探测。

3. 围岩含水超前探测结果与分析

3.1掌子面下部倾斜角测线探测结果与分析

掌子面下部倾斜角测线探测起讫里程HQ0+066.8～HQ0+182.5段，探测距离115.7m。探测结果如图2，由图可知斜井掌子面HQ0+066.8下部倾斜角平面内，前方0~20m左右深度范围内岩体结构存在空隙裂隙水仍较多，表现之前的富水趋势正在逐渐减弱,含水量变小进而很快转变为无水；在20~85m左右深度范围内已无水，且前方并无渗透现象，推测局部小范围内可能有小的岩石裂隙破碎带存在；在85~115m左右深度范围岩层明显变好，围岩较完整，且岩体强度高。掌子面下部倾斜角前方左侧0~6m左右深度较小范围内存在低阻异常区，局部围岩裂隙水相对较发育，含水量较多且岩体局部较破碎，但整体围岩仍具备一定强度。

图2 掌子面HQ0+066.8下部倾斜角测线瞬变电磁电阻等势图

3.2掌子面后方地面底部测线探测结果与分析

掌子面后方地面底部测线探测起讫里程HQ0+066.8～HQ0+182.5段，探测距离150.7m。具体结果如图3。掌子面HQ0+066.8后方底部平面内，总体反映掌子面后方地面宽度9m，且下方0~40m左右深度范围内局部岩体结构中富水趋势明显，之后在10~50m左右深度范围开始由强转弱的变化过程，且之前地面积水量大的情况也已得到有效缓解；从30~130m左右深度范围内基本已无水，裂隙水也没有渗透现象，局部节理裂隙仅有轻微发育,围岩完整性稍差，且仍具备一定强度；在130~150m左右深度范围岩层开始变好，围岩较完整，且岩体强度高。

图3 掌子面HQ0+066.8后方地面测线瞬变电磁电阻等势图

3.3掌子面右侧竖向测线探测结果与分析

掌子面右侧竖向测线探测起讫里程HQ0+066.8～HQ0+141.8段，探测距离75m。具体结果如图4。掌子面HQ0+066.8右侧竖向平面内，总体反映掌子面右侧竖向上部高度3.5m左右，前方上中部位置2~40m左右深度范围内岩体结构中仅有少量裂隙水存在，其中5~20m左右深度范围内有小的破碎区；而12~50m左右深度范围内掌子面下部岩层完整性较差；在42~57m左右深度范围内高阻基岩强度高，围岩完整性较好。掌子面右侧上部30~40m，中间20~30m左右深度范围内存在低阻异常区，相对电阻率在10％~20％之间，局部范围内岩体结构中空隙裂隙水较少，且围岩仍具备一定强度。

图4 掌子面HQ0+066.8右侧竖向测线瞬变电磁电阻等势图

3.4掌子面左侧壁竖向测线探测结果与分析

掌子面左侧壁竖向测线探测起讫里程HQ0+066.8～HQ0+191.8段，探测距离125m。具体结果如图5。掌子面XJK0+056.5左侧壁竖向平面内，总体反映掌子面左侧壁上部高度4m左右，前方0~72m左右深度范围内岩体结构含少量空隙裂隙水；而对应左侧壁下部20~72m左右深度范围内推测可能有小的破碎带存在，围岩完整性差且强度较低；在80~123m左右深度范围内高阻基岩强度高，围岩完整性好。左侧壁上部19~58m左右深度范围内存在低阻异常区，相对电阻率在15％~25％之间，之前上部岩体结构蕴含裂隙水较多，节理裂隙发育更明显，岩体较破碎且围岩强度较低。

图5 掌子面XJK0+056.5左侧壁竖向测线瞬变电磁电阻等势图

3.5掌子面右侧壁竖向测线探测结果与分析

掌子面右侧壁竖向测线探测起讫里程HQ0+066.8～HQ0+161.8段，探测距离95m。具体结果如图6。掌子面XJK0+056.5右侧壁竖向平面内，总体反映掌子面右侧壁上部和中部前方15~45m左右深度范围内岩体结构中仅有极少量的零星裂隙水存在，基本无水；而下部10~35m左右深度范围内有小的破碎区；大概在35~86m左右深度范围内局部岩层完整性较差；在86~98m左右深度范围内高阻基岩强度高，围岩完整性较好。右侧壁上部25~45m和中间13~35m左右深度范围内存在低阻异常区，相对电阻率在10％~30％之间，岩体结构仅有极少量零星裂隙水，基本已处于无水状态。

图6 掌子面XJK0+056.5右侧壁竖向测线瞬变电磁电阻等势图

4. 结论

该高速公路隧道掌子面HQ0+066.8主要分布在掌子面地面下方0~40m、下部倾斜角前方0~20m以及左侧壁上部前方0~72m范围内围岩结构蕴含水量较丰富，但由于存在若干裂隙区域渗透性较强，掌子面超前裂隙水较之前已明显减弱。但在45~85m左右深度裂隙极小发育且围岩完整性较差，推断掌子面下部倾斜角前方中间20~40m左右深度位置可能有小的岩石裂隙破碎带存在。掌子面下部倾斜角前方＞20m范围围岩整体结构已明显无水，且前方整体围岩结构结合一般，局部范围岩层较差，之后掌子面下部倾斜角前方85~115m范围内沿掌子面轴线方向，围岩结构整体向好的方向发展。

参考文献

1. 刘锦东，瞬变电磁法在隧道裂隙水超前探测中的应用研究，路基工程[J]， 2019年02期

2. 秦浩靖，超前地质预报方法在平阳隧道中的应用研究，南昌工程学院，硕士论文，2019年12月1日

3. 谭代明，隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究，西南交通大学 2009年1月1日