汤金云TANG Jin-yun；田树斌TIAN Shu-bin

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610）

0 引言

“十三五”以来，为增强水旱灾害防御和供水灌溉保障能力，以150 项重大水利工程为代表的国家水网骨干工程建设持续提速，跨流域、跨区域引调水工程陆续开工建设。我国的地形地貌特点决定，深埋长隧洞是长距离引调水工程的重点和难点，对水利工程施工阶段超前地质超前预报工作造成了巨大难题。

水利工程长距离隧洞跨度、埋深大，工程地质条件复杂，涌（突）水问题是常见地质灾查明隧道掌子面前方富水异常体的空间分布，为隧洞掘进工作保驾护航，可有效预防隧洞施工涌（突）水事故的发生，减轻生命和财产损失。

在超前预报工作中，由于工作机理、作业环境等客观条件的制约，一些物探、钻探等地质方法的应用受到很大限制，如超前地质钻探有“一孔之见”，很难对前方地质体做出客观、全面的评价；TSP 等地震技术对断层及溶蚀破碎带预报较准确，对富水低阻异常体则反应不明显等。这需要相关技术人员根据物探方法机理，合理选用探测手段。

瞬变电磁探测技术具有探测深度灵活可控、抗噪声能力强、目标体分辨力高、现场作业效率高、无需地形校正等特点,被广泛应用于水利、公路、铁路等行业的灾害水防治工作。瞬变电磁探测技术对地下低阻异常体具有较强的响应能力，适用于掌子面前方富水异常体的探测。

1 基本原理及技术特点

瞬变电磁法亦称为时间域瞬变电磁法，英文全称为Transient Electromagnetic Method，简称TEM。瞬变电磁探测原理（以重叠回线为例）就是由主机向发射回线提供电流脉冲信号，并利用波形衰减变化产生向目标体传播的磁场。地下目标体接受到磁场激励后将会产生涡流变化，由于涡流而随时间衰减，衰减过程一般分为早，中和晚期。早期的电磁场信号相当于频率域的高频部分，衰减较快。一般地质体导电性越好，则二次涡流场越强。当主机关断后，一次场即消失，地下目标体产生的二次场则反射回来，被接收回线探测到。通过对二次场信号变化的持续接收和分析，就可以得到地下目标体的地电信息。

瞬变电磁探测就是利用回线装置向地下目标体发射脉冲电磁信号，通过关断装置控制一次场的发射间隙，并同时利用接收装置观测反射二次涡流的探测方法。通过观测关断后各个时间序列的二次涡流场的变化特征，经过时深转换计算，就可以得到地下目标体不同深度的地质信号特性，图1 为瞬变电磁法半空间中的等效涡流环示意图。

图1 瞬变电磁法半空间中的等效涡流环示意图

瞬变电磁探测技术是通过关断装置的控制，观测纯二次涡流场，剔除一次场的干扰和影响，发射脉冲中心频率可根据探测目标体的空间信息进行选择，其基本原理是不同频率的电磁波在地质体中传播的速度是不同的，相应的其探测深度亦不相同，即通过时间序列的选择调整探测深度，这就是时深转换的理论基础，时间和空间的严格对应，大大提高了瞬变电磁探测技术处理效率；另一显著特点就是瞬变电磁探测可以做到收发一体，受地形旁侧影响小，目标体的耦合效果好，异常反应明显，不足之处在于探测深度与装置等效面积相关，受场地大小影响较大，而多匝小回线重叠装置的发射回线自感及互感大，导致浅层二次场信号被淹没，存在一定的探测盲区。

2 超前预报TEM 探测技术

2.1 现场工作技术

瞬变电磁探测现场工作技术主要分为两个方面：即装置选择和测线设计。

在特定的作业环境中，从瞬变电磁众多装置类型中选择合适的方案，有着很多制约条件。制约条件按类型区分为探测目标体物理特性和外部作业环境两大类，如目标体地电特性、地形条件、噪声环境等。探测目标的物理参数如空间分布、大小、埋深、电导率则决定了回线装置边长大小、匝数、供电电压、时间序列等主要探测参数的选择。装置选择的指导思想就是尽量提高接收信号的信噪比，压制天电、工频干扰等各种电磁干扰信号对二次场的影响，保证信号质量满足探测要求。

瞬变电磁探测的回线装置可分为发射和接收两个部分，可分体布置，也可收发一体。受隧洞掌子面现场条件制约，隧洞地质超前探测一般优先选用多匝小回线重叠装置（如图2（a）），其主要优点是现场作业便捷、探测目标体耦合好；缺点是发射回线感应信号对接收回线造成一定影响，导致早期信号丢失，造成探测盲区。

超前探测测点布置在隧洞掌子面（如图2（b）），即从隧洞掌子面一侧开始，测点数量、位置及探测角度根据隧洞现场条件进行布置，每个测点可设置多个探测方向，即使天线的法线方向与隧洞掌子面分别成上倾，直立和下倾的多夹角，对掌子面顶板、水平层和底板进行探测，即在多个角度采集数据，从而获得尽可能完整的前方空间信息，故称之为扇形探测技术。

图2 超前探测装置示意图

2.2 数据处理技术

瞬变电磁处理与解释软件是笔者根据自行编制一款电磁数据处理与解释软件（如图3（a））。系统能读取和处理国内外常用瞬变电磁数据格式，处理与解释人机界面效果好、效率高，主要功能由工区数据管理、人文噪声校正、数字滤波、成果图件绘制和三维可视化解释等，可根据需要，分区或批量处理瞬变电磁数据。

图3 瞬变电磁处理与解释系统示意图

图4 为瞬变电磁超前探测数据处理成果示意图。利用笔者编制的处理解释软件，调用数据提取、视电阻率计算、时深转换、超前探测坐标转换等子模块并结合Surfer 绘图软件，即可快速便捷地处理和解释瞬变电磁超前探测数据。

图4 瞬变电磁数据处理成果示意图

3 工程实例

某水工引水隧洞工程位于贵州省南部部地区，是中型水库枢纽工程二期灌区部分重要节点。引水隧洞全长2.67km，开挖洞径4.5m，全部采用钻爆法施工。根据工程地质及施工安全控制要求，需对掌子面前端岩层裂隙的富水性进行探测。

本次水工隧洞掌子面瞬变电磁超前探测使用的仪器为澳大利亚产瞬变电磁仪。根据相关软件正演模拟和现场测试，确定回线大小和匝数、关断时间类型、时间序列、发射频率、叠加次数和增益等采集参数，选择边长为2m×2m的重叠回线装置（发射回线20 匝，接收回线40 匝），时间序列为Long Time Series，关断时间和发射频率为仪器固化且自动设置，叠加次数为128 次，采样间隔为1.0m。探测方向（回线法线与探测地层夹角）选取上倾45°水平顺层、下倾45°，采用用全站仪进行辅助测点定位。

图5 为隧洞0+465 位置瞬变电磁超前探测水平顺层测线解释成果图。测线沿掌子面及两侧进行布置，结合上倾45°测线 及下倾45°测线可见，掌子面（0+465）迎头100m范围内呈闭视电阻率等值线无明显异常变化，可推测在隧洞掌子面（0+465）迎头前方100m 范围内没有富水区域，后经超前钻孔验证亦无富水异常构造。

图5 瞬变电磁超前探测水平顺层测线解释成果图

通过瞬变电磁超前探测和钻孔验证相结合的连续滚动观测方式，可有效地查明掌子面前端的富水异常区域，为引水隧洞施工安全提供有效地数据支撑。本次瞬变电磁法数据成果与部分钻孔资料对比，可见：瞬变电磁法能有效地探测富水异常等不良地质的存在，但由于理论的时深转换计算基于地面半空间电磁理论，导致实际解释的异常深度误差较大；异常体本身的低阻屏蔽效应，使得解释富水异常的大小存在一定的困难。

本次瞬变电磁超前探测满足工程安全施工要求，为地质预报提供了直观、准确的数据，为隧洞安全施工提供有效保障。实践表明，通过分析对比隧洞的工程地质特性与瞬变电磁数据成果，合理布局，能高效、准确地探明引水隧洞掌子面前端富水异常分布情况。

4 小结

通过上述探测实践表明，在合适的勘探深度下，利用瞬变电磁法对富水异常反映能力较强的特点，应用瞬变电磁法对突（涌）水等不良工程地质异常进行探测和评价，结合已知地质和钻探资料，可大大提高数据解释成果的准确性，是地质超前预报的有效手段。