cfc复频电导法与瞬变电磁法在某隧道中的应用对比.docx

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1、CFC复频电导法与TEM瞬变电磁法在云南玉墨隧道中的应用对比目前，随着我国隧道建设数量的激增，高风险施工隧道占比也大幅增加，隧道超前预报工作凸显尤为重要。传统的隧道超前预报方法以地震波法为主，仅探测围岩的力学性质变化，如岩性、构造等，对断层、破碎带敏感，对围岩的含水性不敏感，不能直接用于探水预报。隧道超前探水主要应用的是电磁波方法。瞬变电磁法(TEM)作为其中一种方法，多用于在地面进行探水、找矿，移植到隧道中有其局限性和不足之处。CFC复频电导率法是一种运用电磁波进行超前探水的新技术。此前的研究结果表明，采用CFC做隧道长距离超前探水，效果良好，预报距离可达IOom。同度物探选用玉墨铁路新平隧

2、道作为CFC与TEM对比的试验工区，研究两种隧道超前探水技术的准确性与可靠性。2方法原理2.1 CFC复频电导法原理CFC是一种新型电磁波反射-相干技术，是复频电导率法(ComP1eXFreqenCyConductivity)的英文缩写。隧道围岩是具有电导率与电容率的复频电导介质，含水后复频电导率增大,波阻抗降低，电磁波传播到波阻抗差异界面就会发生反射。使用IOOKHZ10MHz中频段的电磁波，根据反射与相干原理，可实现掌子面前方围岩含水位置与含水量的预报。CFC以偶极子天线进行发射、接收电磁波，采用电极作为天线，用深埋隧道左右侧壁实现。CFC采用这种不同于地质雷达天线的方式，是因为CFC天线

3、深埋围岩中可以与侧壁围岩成一体,保障传导电流与位移电流，削弱隧道内电磁干扰,避免空间干扰，提高信噪比。CFC采用一组发射电极，多组接收电极，组合成阵列观测方式。这种观测方式的优势是随着接收电极的增多，观测系统的方向性得到显著增强，从而到达强化前方反射波，压制侧向干扰的目的。一组电极发射，位置不变，另一组电极移动接收，每发射一次，接收电极移动一次，结合多次发射与接收，形成一个完整的阵列。汇总所有反射数据联合成像，可得掌子面前方围岩含水性的分布、电磁波速和介电常数，以此进行含水性预报。2.2 TEM瞬变电磁原理瞬变电磁法(TranSientEIeCtromagnetiCMethodS)简称TEM,

4、是一种时间域人工源电磁法，它是以不接地线圈向被测地质体发射阶跃波电磁脉冲一次场，以激励探测对象感生一个衰减的二次涡流场。在脉冲间隙用接收线圈接收二次涡流场，测量二次涡流场随时间的衰减特性，从而达到超前探水的目的。二次涡流场的变化与地质体的电性相关。同类岩石相比，围岩较为完整时视电阻率值一般相对较高，引起的涡流场较弱；而围岩富水时视电阻率值相对较低,引起的涡流场较强。故通过观测二次涡流场就可以掌握围岩的视电阻率值分布情况，从而推断出地下水的赋存情况。3测区布置3.1 CFC采集方式CFC观测系统方案具体布置，如图2所示。MTN1、M2N2.M3N3、MtM四组接收电极和AB一组发射电极，分别位于

5、两侧壁上。发射与接收电极长度都大于2m,埋深1.8m,间距IOm,需要埋入围岩与围岩良好耦合。本次采用的CFC设备如图2所示，详细参数如表1所示。BNiNi3V4图2CFC激发与接收位置发射机接收机图3CFC设备表1CFC技术参数通道数：2通道采样率：400MHz工作频带：IOOkHz-IOMHz预报距离：【00米A/D数位转换：16位发射电压6KV发射机供电：AC-220DC-12V3.2 TEM采集方式隧道瞬变电磁法超前地质预报装置采用同轴偶极装置，激发线圈呈22m的正方形，激发线圈匝数64匝，供电电流为1A；接收线圈面积31.4m2,基本频率25Hz。每个测点至少采用750次叠加方式提高

6、信噪比，确保了原始数据的可靠性。通过加大发射功率的方法增强二次场，尽量提高信噪比的方法。4实测结果分析对比4.1 玉墨铁路新平隧道工程概况玉墨铁路新平隧道全长14835m,隧道地质情况复杂，包括断层破碎带、褶皱、岩溶、瓦斯、软岩大变形、岩爆、高地温、顺层，发育5条断层、2处可溶岩与非可溶岩接触带、1处背斜及1处向斜，预测隧道最大涌水量为10.8104m3d,且存在含碳质岩地层，设计确定为低瓦斯隧道，风险极大，为I级风险隧道。隧道试验工区地层主要岩性为震旦系昆阳群黑山头组黑山头段(PtIhS)板岩夹砂岩，穿越写莫逆断层，围岩受构造影响严重，节理裂隙发育，受挤压破碎严重。隧道施工过程中沿裂隙会有渗

7、水、滴水现象，沿断层破碎带、影响带或节理裂隙密集带会有线状流水。附近地下水主要以第四系松散层孔隙潜水、基岩裂隙水为主，水量较大，可能遇到突水、突泥等问题。为保障隧道施工安全和工程质量，有必要进行超前探水。4.2 CFC预报结果外业工作结束后随即转入室内资料整理及解释工作，即时对当天采集数据进行分析、整理并检查和复核，在此基础上对所采集的数据进行综合分析、评价。CFC室内资料整理及解释主要经过记录选取、数据预处理、观测系统几何位置编辑、频谱归一化、CFC电磁波速扫描、CFC合成孔径偏移成像计算等过程。偏移图像反应反射波相干能量的分布。图像的水平坐标为里程及距掌子面的距离，红色、黄色条纹表示相干能

8、量强，反射波强，含水量大的界面，绿色次之，蓝色含水量少。数据处理结果得到学子面P5DK0+760前方IOOm围岩含水结构的CFC偏移图像，如图4所示。图4CFe偏移图像从偏移图像可以看出，CFC预报结果如表2所示。表2CFC预报结果里程桩号范围（m）CFC预报结果P5DK0+760P5DK0+786026CFC图像中该段围岩主要以蓝绿色为主，反射波较弱。推测该段围岩含水较少，以潮湿为主，局部或有渗水。P5DKO+786P5DKO+8212661CFC图像中该段围岩主要以黄色为主，在距掌子面36m,40m,50m,60m附近有红色强反射条纹。推测该段围岩含水较少，以滴水为主，在P5DK0+796

9、,P5DK0+800,P5DK0+810,P5DK0+820附近或有线状流水。P5DKO+821P5DKO+84761-87CFC图像中该段围岩以红黄色强反射条纹为主，反射波较强。推测该段用岩含水稍多，以线状流水为主，局部或呈股状。P5DK0+847P5DK0+86087100CFC图像中该段围岩主要以黄色为主，反射波稍弱。推测该段围岩含水较少，以渗水滴水为主。4.3 TEM预报结果TEM预报时掌子面里程为P5D1K0+760,探测时仪器接收线圈布置在掌子面后5米（即里程为P5D1K0+755）,预报范围为接收线圈前方20米至100米（即P5D1K0+775P5D1K0+855段），这是由瞬变

10、电磁方法本身的特性导致，其接收线圈至其前方20米范围为探测盲区。本次TEM预报采集有效记录7组，为方便对比选用垂直视电阻率剖面，如图5所示。图5垂直方向视电阻率剖面图根据垂直方向视电阻率剖面图可以看出，隧道轮廓线以内里程0+7750+805区域有相对低阻异常（呈深蓝色）。根据本次视电阻率图，结合掌子面地下水发育情况，预报结论如下：1、P5DK0+775P5DK0+813段（38m）：视电阻率相对较低，推测地下水发育，可能存在线状水股状水；2、P5DK0+813P5DK0+855段（42m）：视电阻率相对较高，推测地下水较发育，可能存在滴水潮湿。4.4 开挖验证口渗水口的制图6开挖验证现场地质素

11、描结果如下：1、P5DK0+760P5DK0+783段，揭露围岩为灰白色砂岩，泥岩，强风化，中厚层状，围岩较破碎局部破碎，节理裂隙欠发育，掌子面潮湿，局部沿裂隙滴水。2、P5DK0+783P5DK0+860段，揭露围岩为灰白色砂岩，泥岩，强风化，中厚层状，围岩破碎，层间夹有泥质夹层，节理裂隙发育，为短小型节理，层间结合性较差，沿裂隙面滴渗水，局部滴水成线。其中P5DK0+827P5DK0+838段，地下水发育，沿裂隙面线状流水，拱脚有水渗出。由开挖验证可以看出，本次预报CFC结果与实际开挖情况较为吻合，如图6所示，预报含水段围岩位置的误差较小，TEM预报结果与实际情况有所出入可能是受隧道内金属

12、机具干扰，掌子面前方低阻异常可能是受电磁干扰导致。5小结依托玉墨铁路新平隧道的探水实例做CFC复频电导法与TEM瞬变电磁法的实际应用对比。开挖结果表明，CFC探水技术与TEM相比，可有效避免隧道内台架等大型设备以及施工用电等强干扰，预报结果更准确。TEM在掌子面20m内存在盲区，这恰巧是施工方所关注以及能够处理的位置，而CFC不存在探测盲区，可进行递进式探水预报。综上所述，CFC探水技术与TEM相比，抗干扰能力更强，探水预报结果更准确，特别是在电磁环境复杂的隧道，如盾构、TBM等施工隧道，是传统电磁探水技术无法比拟的。参考文献1钱七虎.隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向J.隧

13、道建设,2017,37(03):251-263.赵永贵，蒋辉.隧道地震超前预报技术现状分析与新进展J.公路隧道,2010(01):1-7.3赵永贵.隧道围岩含水性预报技术J.地球与环境,2005(03):29-35.4李耀华,杨进,李世峰.瞬变电磁与电阻率测深在沙午铁路采空区勘查中的应用J.物探与化探,2011,35(02):274-279.5吴明刚,王海龙,门.业凯,孙鹏,赵磊.高密度电阻率法和瞬变电磁法在复兴村金矿探测中的应用J.工程地球物理学报,2013,10(03):363-368.胡雄武,张平松,严家平,郭立全.坑道掘进瞬变电磁超前探水解释方法的改进研究J.岩土工程学报,2014,36(04):654-661.陈方明，谢冕,蒋辉.复频电导技术在隧洞超前探水中的应用J.人民长江,2015,46(21):50-54.8侯景方,姚琦发.CFC复频电导超前探水技术在深埋隧道的应用U1工程地球物理学报,2019,16(02):223-229.9静恩杰，李志鹏.瞬变电磁法基本原理J.中国煤田地质，1995,7(2):83-8710谭代明.隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究D.西南交通大学,2009.作者简介：姚琦发(1994-),男，学士,2017年毕业于防灾科技学院，主要从事工程物探检测等相关工作。E-mai1:yaoqf