赵雪平 赵玉超 白永杰

(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030； 2.郑州大学综合设计研究院有限公司，河南 郑州 450000)



岩溶隧道瞬变电磁响应数值模拟及应用

赵雪平1赵玉超2白永杰1

(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030； 2.郑州大学综合设计研究院有限公司，河南 郑州 450000)

利用ANSYS软件，对岩溶隧道的瞬变电磁法超前地质预报进行了模拟计算，表明瞬变电磁法对岩溶体敏感，验证了瞬变电磁法超前预报的可行性，与工程应用结合，可为现场数据的解译工作提供理论依据。

瞬变电磁法，超前地质预报，数值模拟，隧道

隧道瞬变电磁法是一种利用电磁感应原理的时间域人工源电磁超前探测方法，自20世纪70年代开始这项工作的，朴化荣、曾孝箴、王延良等人将脉冲式航电仪用于地质填图和找矿中[1，2]；牛之琏等将瞬变电磁法应用于金属矿的勘探并取得良好的探测效果[3]；李貅、薛国强等对瞬变电磁法的合成成像、算法、解释等一系列理论成果进行了丰富[4]；谭代明等验证了ANSYS正演数值模拟计算的可行性[5，6]。目前，瞬变电磁法在隧道超前地质预报中应用越来越广泛，其对岩溶富水体的准确预报也得到了充分的认可。

隧道瞬变电磁法超前预报的原理是利用在掌子面布置线圈发射一次脉冲电流，激发电流在断开的瞬间会在地质体内产生瞬变电磁场，由于地质体具备一定的导电性能，在地质体中瞬变电磁场感应生成涡流，涡流进而感生出二次磁场，利用接收装置接收二次场信号，根据不同信号的数据进而分析地质体的信息。

由于隧道瞬变电磁法属于全空间瞬变电磁法，其原理与半空间仍存在一定的差别，在理论研究和探测结果分解译上仍存在一定的缺陷。本文利用ANSYS有限元软件对瞬变电磁法的探测响应原理进行正演模拟，结合某富水隧道的瞬变电磁超前探测结果，为瞬变电磁探测结果的解译提供理论基础，进一步提高探测结果的准确度和精度。

1 瞬变电磁法基础理论

Maxwell根据前人和自己的分析结果，总结出普遍情形下的电磁场方程组，以下为Maxwell方程组的积分形式：

(1)

根据电磁波在空间范围内传播的分量沿XYZ轴分解，规定E沿X轴传播，H沿Y轴传播，式(1)可以变换为：

(2)

由上式可以看出磁场的变化会激发出涡流电场，下式右端为位移电流表达式，下式相当于上式的E,H对调获得，说明位移电流的变化会激发磁场。因此，电场和磁场是相互激发，相互感生，同时并存的，这也是瞬变电磁理论的精髓所在。

2 数值模拟

2.1 模型尺寸及参数选择

在利用ANSYS有限元软件对瞬变电磁的三维正演模拟中，有限元法是对整个模型进行离散化处理，将模型划分成一定数量的单元，建立每个小单元上的待求解的近似解，进而求得整个模型的近似解，同时采用以有限单元上的场量作为变量的计算方式具有较高的计算精度。建立隧道全空间模型(见图1)，模型尺寸200 m×200 m×400 m，假定隧道形状为拱形，隧道断面宽10 m、高13 m，隧道已开挖距离为200 m，岩溶富水体位于掌子面正前方40 m～60 m处。

根据实际隧道中的围岩岩性、岩溶水的电阻率变化范围，取其相近值作为本模型的计算值，相关取值见表1。

表1 材料参数表

激励源设置在掌子面，在激励源中的不同时刻设置不同大小的电流密度来模拟实际电流的开关，电流接通期间设置电流密度的最大值，电流断开期间设置电流密度为0。

2.2 数值模拟结果分析

通过对掌子面前方有无岩溶体进行数值模拟计算，得到两种情形下的涡流场云图如图2，图3所示。

如图2和图3所示，在激发电流断开之后，围岩、岩溶体均产生感应涡流。由图2可以看出无岩溶体时，根据“水波效应”，围岩中的涡流密度的极大值存在于掌子面附近，并随着时间逐渐损耗变小，直到能量损耗完。由图3可以看出涡流在岩溶体内达到极大值，由于岩溶体电阻率远低于围岩，岩溶低阻体中涡流密度大、衰减慢，所以瞬变电磁场对低阻有极强的辨别能力，这也是瞬变电磁法进行电磁超前预报的基础。

3 工程应用实例

以某特长隧道为工程背景，隧道洞身围岩主要为白云岩和部分花岗岩，裂隙比较发育，且隧道埋深大，含水量较为丰富，水头高、具备承压性，存在瓦斯、岩溶和岩爆等不良地质。为防止在施工过程中出现突水灾害，在施工过程中利用瞬变电磁仪进行了多次超前地质预报探测，探测仪器采用矿用YCS160型瞬变电磁仪，数据处理利用仪器所附软件进行反演计算得到掌子面前方视电阻率分布。选取隧道ZK42+480～ZK42+680里程岩溶富水段进行瞬变电磁探测现场测试研究，里程段内掌子面出现涌水状况。视电阻率反演如图4所示。

由视电阻率图4可以看出隧道ZK42+480～ZK42+580里程段均为富水区，其中ZK42+530～ZK42+580里程段掌子面右侧45°方向低阻反应敏感，推断存在岩溶区，经后期超前钻探及隧道实际开挖验证，探测结果基本与实际情况相符。

4 结语

1)利用ANSYS数值模拟软件对富水岩溶隧道瞬变电磁法的正演模拟计算，说明隧道瞬变电磁对低阻体敏感的特性，验证了瞬变电磁法进行超前预报的可行性。

2)数值模拟与现场工程实例相结合，为现场瞬变电磁探测数据的解译工作提供理论依据，有效地提高瞬变电磁隧道超前地质预报的精度及准确度。

[1] 周 平,施俊法.瞬变电磁法(TEM)新进展及其在寻找深部隐伏矿中的应用[J].地质与勘探,2007(6):63-69.

[2] 于景邨,常江浩,苏本玉,等.老空水全空间瞬变电磁法探测三维数值模拟研究[J].煤炭科学技术,2015(1):95-99,103.

[3] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社,2007.

[4] 薛国强,李 貅,底青云.瞬变电磁法正反演问题研究进展[J].地球物理学进展,2008(4):1165-1172.

[5] 谭代明,泰 岳.基于ANSYS的瞬变电磁法数值模拟[J].路基工程,2008(5):30-32.

[6] 谭代明,泰 岳.地下全空间瞬变电磁响应的数值分析[J].物探化探计算技术,2009(2):86-87，121-125.

Numerical simulation and application of karst tunnel transient electromagnetic response

Zhao Xueping1Zhao Yuchao2Bai Yongjie1

(1.ChongqingUniversityCoalDisasterDynamics&ControlNational-Laboratory,Chongqing400030,China; 2.ZhengzhouUniversityComprehensiveDesignAcademyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

To simulate the transient electromagnetic method geological forecast of karst tunnels by ANSYS software, indicating that the TEM is sensitive to the karst, the feasibility of the TEM prediction method is verified; combined with engineering application, to provide a theoretical basis for on-site data interpretation work.

transient electromagnetic method, geological forecast, numerical simulation， tunnel

1009-6825(2017)07-0155-03

2016-12-21

赵雪平(1991- )，男，在读硕士

U456.33

A