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摘要：本文简要介绍了当前国内外隧道超前地质预报手段和方法。针对岩溶、含水构造尚缺准确可靠的探测方法的现状下，笔者引入瞬变电磁法（TEM），利用瞬变电磁法在岩溶隧道掌子面开展了超前探测岩溶构造的试验研究。试验结果表明，瞬变电磁法具有定向性（方位性）好、探测距离大等突出优点，是岩溶地区隧道超前探测的有效方法。瞬变电磁具有精度高、快捷、无损探测等诸多优点，并且成功预报了一次大型溶洞。通过现场应用研究，该方法在有待进一步研究开发的同时可作为针对岩溶、含水结构的一种较好的探测手段使用。
关键词：瞬变电磁；探测；超前地质预报；岩溶
1 引言
现代隧道建设的一个基本特点就是：“动态设计、动态施工”。受设计周期影响，不可能应用充分的物探、钻探等手段来准确全面地探明整座隧道的工程地质、水文地质等条件和所有的不良地质作用，特别是对那些长大隧道，地质环境条件又复杂的隧道。在隧道施工中，为了更好地把握工程地质情况，采用超前地质预报手段则可以较好地解决这中间的空白，并逐渐得到了各方的认可。
国内外隧道超前探测的方法主要有弹性波类预报方法（TSP隧道地震波超前地质预报系统，地震反射负视速度法等）、电磁波类预报方法（地质雷达等）、超前钻探法等。弹性波类预报方法主要通过弹性波在地质对象的传播引起的弹性波反射、折射来识别异常，但岩溶分布及地下水的充填与否对应的弹性波变化不明显，况且对波速的干扰因素众多，对于隐伏岩溶、含水构造的判断上还是有相当的难度。
总体而言，超前地质预报仍是一项正在发展中的技术，尤其对岩溶、含水构造的预报技术仍然相对滞后，尚属于一个有待攻克的难题。
瞬变电磁法（TEM）是近年来发展很快，并得到广泛应用的一种电法勘探分支方法[3-5]。由于这种方法观测的是二次场，可在近区进行观测（可采用重叠回线装置），具有对低阻含水体特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等优点，故在隧道水文地质勘探中有较大的应用价值，被普遍认为是水文地质勘查中最有前景的地球物理勘探方法之一[3]。考虑到瞬变电磁法探测具有定向性（方位性）好，可用于隧道内全方位探测（既可以用于掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、构造顶底板探测等），且探测距离大、分辨率高、施工快捷、效率高等突出优点。
2 瞬变电磁探测法（TEM）简介
2.1 基本原理
瞬变电磁法的探测原理是利用不接地回线（或电偶源）向地下发送一次脉冲磁场（或电场），即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地中传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。在一次场消失后，涡流并不立即消失，它将有一个过渡过程（衰减过程），该过渡过程又产生一个衰减的二次场。在地表用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减的特性。
由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场，不存在一次场的干扰，此外，从富立叶变换可知，一个阶跃脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的，产生的场是一种宽频带电磁波场。
2.2 瞬变电磁测深法所采用的装置形式：
①中心回线和重叠回线装置，这种装置发射回线的中心点与接收回线或线圈的中心点在空间上重合，发收距为零，最大特点是体积效应小，分层能力强；
②分离回线装置，发射接收线圈分开一段距离并同时移动；
③大定源回线装置，此装置的回线边长一般较大；测线可以布置在回线中部，也可以从一侧穿过回线到另一侧；
④偶极装置，与上述装置的区别就是发射回线边长比较小，比如是10m×10m的多匝回线，接收线圈与发送线框分离一定的距离，此种装置主要用于浅层地层调查。
2.3 瞬变电磁测深的解释方法
瞬变电磁的解释方法，最初对电磁数据的解释方法是根据电磁波与地震波的相似性来作为解释依据的，而后Seunghee Lee于1987年利用差分法的二维偏移实现了电磁数据的成像；80年代末电磁阵列剖面法的提出使大地电磁波向拟地震解释推进了一步，提出了用地震来解释大地电磁资料的新理论和新方法，如对电磁波场进行数学变换的长偏移距的瞬变电磁成像解释法。
现在，由于数学理论基础的不断加深，数学应用在各方面的拓展，以及建立在不同基础上的数值方法的出现，对瞬变电磁法的解释有了很多的与以往不同的方法，有高温超导SQUID用于瞬变电磁法大地测量的测深估计，有烟圈理论解释法，快速拟地震解释法，改进的阻尼最小二乘可行方向解释法，还有建立在人脑机理和功能基础上的有自我学习功能的人工神经网络方法反演瞬变电磁，以及等效导电平面解释法等。
2.4 瞬变电磁法的应用范围及优越性
①应用范围
瞬变电磁测深法近几年在国内外得到迅速发展，可以解决的地质问题范围不断扩大，如：矿产勘查、工程勘察、地下水与地热调查、环境灾害地质调查及考古等，目前几乎涉及了地球物理勘探的各个领域包括空中和海洋，可见已经成为不可缺少的地球物理方法之一。
②优越性
TEM法的优越性是：经济、无损、快速、精度高、信息丰富等。有对低阻充水岩溶、破碎带反映灵敏的特点，而且接收探头中接收到的由激发涌流感应出的二次场，不论目标产出状态如何，均能收到有用信号，并对目标体成像。这无疑给TEM法应用于隧道（洞）岩溶及充水构造的超前地质预报展示了美好的发展前景。
3 瞬变电磁探测法（TEM）在工程中的应用
3.1 工程概况
林（歹）织（金）铁路是西南铁路网络建设的组成部分，是贵州省铁路建设的一项重要工程，铁路总长99.559公里。铁路等级为Ⅱ级，采用电气化机车牵，设计时速120公里。林织铁路线路经过地区，地处贵州高原中部，区内地形起伏较大，山高谷深、地质复杂、溶槽溶洞发育，施工难度极大。 坪子上隧道位于坪子上车站至大冲车站之间，全长6302米，为高瓦斯隧道，是全线控制性工程。选址部位多发育岩溶，隧道施工阶段多揭露出不同形态、不同大小规模的岩溶形态。如溶槽、溶缝、空溶洞以及填充不同岩土性质的充填溶洞等。这些形态各异、规模不同的岩溶形态对隧道施工安全和以后铁路隧道运营安全都将产生一定程度的影响，特别是隧道底部可能的大型溶洞对隧道基底的稳定性影响更应引起高度重视。
3.2 探测方法选取
由于岩溶地区探测的特殊性，经数次实践证明，瞬变电磁法探测应用效果优于其他几种探测方法。探测对象所赋存的地质条件和埋深是影响物探效果至关重要的因素。探测对象的几何形态，包括高度、长度、宽度等也影响探测的效果，因为探测对象的几何尺寸决定了探测深度及系统具有的分辨率，关系到线圈大小、规格的选择。再者，被探测对象的导电率和介电常数等也需掌握，因为这将影响到对能量反射或散射的识别。
3.3 现场工作方法
①参数设置及测点布置
初步建立适合隧道场地的工作方法，发射装置经过比较选用3×3m，8匝线框，接收装置选用向后屏蔽的250K磁探头。由于是探测掌子面前方的地质情况，所以发射线圈及接收探头都固定在田字形的发射架上。测点布置如（图2）所示在隧道中部（后方50m内没有其它影响）垂直于隧道中轴或两侧作一测线，以测量隧道内的背景值。
②瞬变电磁成果解释
将测量所获得的数据经过三维全方位处理分析，包括滤波、圆滑、正演、反演等，突出了低阻体的异常，并把处理结果绘制成电阻率剖面图，再根据剖面图上所反映的电阻率在空间的变化情况，作出推断解释。
本次探测结合地质编录、三面展开图、开挖地质记录分析，位于ZDK35+950掌子面进行TEM探测，探测位置前方42m～50m范围视电阻率很低，推测其为溶蚀管道或充泥溶洞。视电阻率等值线图见图3。
③开挖对比
瞬变电磁法探测预报结果：ZDK35+992～ZDK36+000段视电阻率很低，推测其为溶蚀管道或充泥溶洞，围岩裂隙，溶隙发育，局部破碎，具备隐伏水体聚积。
开挖结果：开挖至ZDK35+990，掌子面出现泥质冲天溶蚀裂隙，并伴有岩溶水渗出；开挖至ZDK35+993时，掌子面左侧为一溶洞尾端，右侧为溶槽。通过开挖，确定该处为一溶洞边缘，下部为泥质充填。
预报结果证明，瞬变电磁对充填溶洞探测准确率高，预报成果清晰、直观。通过本次探测，预防了溶洞对开挖施工的影响，避免了不必要的损失。
4 研究成果及体会
①选用的瞬变电磁设备是能够适应隧道内的复杂环境，并获得相对有效的数据。
②对瞬变电磁解释方法采用隧道地电模型的等效导电平面解释方法，且引入了遗传算法这一全局最优化方法到等效导电平面法中，减小解释的等值范围，增加解释的精度。经过对视纵向电导曲线进行微分处理使得结果更加清晰可辨。
③瞬变电磁法对隧道施工中遇到的岩溶、地下水进行超前地质预报是有效地。
5 结束语
本文根据当前国内外在隧道（洞）工程超前地质预报中对岩溶、含水构造难于做出准确预报的情况下，引入TEM法。在试验成功的基础上进行了现场实际应用，取得了很好的成果。本法对岩体中存在的岩溶、地下水及围岩类别预报准确度较高。给施工提供大量的具有指导意义的结论与建议，减少工程中因围岩条件变化而带来的灾害性事故。我们将在总结经验的基础上继续提高应用水平，服务于隧道的施工。
参考文献：
[1] 瞬变电磁法理论与应用 李貅 编著 陕西科技出版社 2002.9
[2] 隧道超前地质方法 叶英 2003年公路隧道论文集
[3] 霍全明，王玉海，罗国平，等. 瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用. 西安：西北工业大学出版社，1994
[4] 李金铭，罗延钟主编﹒ 电法勘探新进展﹒ 北京：地质出版社，1996
[5] 蒋邦远主编﹒ 实用近区磁源瞬变电磁法勘探 . 北京：地质出版社，
作者简介：
温佐彪，单位：成都畅达通地下工程科技发展有限公司，部门：检测部，职务：部长，学历：本科，研究领域：隧道（洞）超前地质预报及监控量测方面的研究。
关键词：瞬变电磁；探测；超前地质预报；岩溶
1 引言
现代隧道建设的一个基本特点就是：“动态设计、动态施工”。受设计周期影响，不可能应用充分的物探、钻探等手段来准确全面地探明整座隧道的工程地质、水文地质等条件和所有的不良地质作用，特别是对那些长大隧道，地质环境条件又复杂的隧道。在隧道施工中，为了更好地把握工程地质情况，采用超前地质预报手段则可以较好地解决这中间的空白，并逐渐得到了各方的认可。
国内外隧道超前探测的方法主要有弹性波类预报方法（TSP隧道地震波超前地质预报系统，地震反射负视速度法等）、电磁波类预报方法（地质雷达等）、超前钻探法等。弹性波类预报方法主要通过弹性波在地质对象的传播引起的弹性波反射、折射来识别异常，但岩溶分布及地下水的充填与否对应的弹性波变化不明显，况且对波速的干扰因素众多，对于隐伏岩溶、含水构造的判断上还是有相当的难度。
总体而言，超前地质预报仍是一项正在发展中的技术，尤其对岩溶、含水构造的预报技术仍然相对滞后，尚属于一个有待攻克的难题。
瞬变电磁法（TEM）是近年来发展很快，并得到广泛应用的一种电法勘探分支方法[3-5]。由于这种方法观测的是二次场，可在近区进行观测（可采用重叠回线装置），具有对低阻含水体特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等优点，故在隧道水文地质勘探中有较大的应用价值，被普遍认为是水文地质勘查中最有前景的地球物理勘探方法之一[3]。考虑到瞬变电磁法探测具有定向性（方位性）好，可用于隧道内全方位探测（既可以用于掘进头前方，也可以用于巷道侧帮、构造顶底板探测等），且探测距离大、分辨率高、施工快捷、效率高等突出优点。
2 瞬变电磁探测法（TEM）简介
2.1 基本原理
瞬变电磁法的探测原理是利用不接地回线（或电偶源）向地下发送一次脉冲磁场（或电场），即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地中传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。在一次场消失后，涡流并不立即消失，它将有一个过渡过程（衰减过程），该过渡过程又产生一个衰减的二次场。在地表用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减的特性。
由于瞬变电磁测深法是在一次场断电后测量纯二次场，不存在一次场的干扰，此外，从富立叶变换可知，一个阶跃脉冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成的，产生的场是一种宽频带电磁波场。
2.2 瞬变电磁测深法所采用的装置形式：
①中心回线和重叠回线装置，这种装置发射回线的中心点与接收回线或线圈的中心点在空间上重合，发收距为零，最大特点是体积效应小，分层能力强；
②分离回线装置，发射接收线圈分开一段距离并同时移动；
③大定源回线装置，此装置的回线边长一般较大；测线可以布置在回线中部，也可以从一侧穿过回线到另一侧；
④偶极装置，与上述装置的区别就是发射回线边长比较小，比如是10m×10m的多匝回线，接收线圈与发送线框分离一定的距离，此种装置主要用于浅层地层调查。
2.3 瞬变电磁测深的解释方法
瞬变电磁的解释方法，最初对电磁数据的解释方法是根据电磁波与地震波的相似性来作为解释依据的，而后Seunghee Lee于1987年利用差分法的二维偏移实现了电磁数据的成像；80年代末电磁阵列剖面法的提出使大地电磁波向拟地震解释推进了一步，提出了用地震来解释大地电磁资料的新理论和新方法，如对电磁波场进行数学变换的长偏移距的瞬变电磁成像解释法。
现在，由于数学理论基础的不断加深，数学应用在各方面的拓展，以及建立在不同基础上的数值方法的出现，对瞬变电磁法的解释有了很多的与以往不同的方法，有高温超导SQUID用于瞬变电磁法大地测量的测深估计，有烟圈理论解释法，快速拟地震解释法，改进的阻尼最小二乘可行方向解释法，还有建立在人脑机理和功能基础上的有自我学习功能的人工神经网络方法反演瞬变电磁，以及等效导电平面解释法等。
2.4 瞬变电磁法的应用范围及优越性
①应用范围
瞬变电磁测深法近几年在国内外得到迅速发展，可以解决的地质问题范围不断扩大，如：矿产勘查、工程勘察、地下水与地热调查、环境灾害地质调查及考古等，目前几乎涉及了地球物理勘探的各个领域包括空中和海洋，可见已经成为不可缺少的地球物理方法之一。
②优越性
TEM法的优越性是：经济、无损、快速、精度高、信息丰富等。有对低阻充水岩溶、破碎带反映灵敏的特点，而且接收探头中接收到的由激发涌流感应出的二次场，不论目标产出状态如何，均能收到有用信号，并对目标体成像。这无疑给TEM法应用于隧道（洞）岩溶及充水构造的超前地质预报展示了美好的发展前景。
3 瞬变电磁探测法（TEM）在工程中的应用
3.1 工程概况
林（歹）织（金）铁路是西南铁路网络建设的组成部分，是贵州省铁路建设的一项重要工程，铁路总长99.559公里。铁路等级为Ⅱ级，采用电气化机车牵，设计时速120公里。林织铁路线路经过地区，地处贵州高原中部，区内地形起伏较大，山高谷深、地质复杂、溶槽溶洞发育，施工难度极大。 坪子上隧道位于坪子上车站至大冲车站之间，全长6302米，为高瓦斯隧道，是全线控制性工程。选址部位多发育岩溶，隧道施工阶段多揭露出不同形态、不同大小规模的岩溶形态。如溶槽、溶缝、空溶洞以及填充不同岩土性质的充填溶洞等。这些形态各异、规模不同的岩溶形态对隧道施工安全和以后铁路隧道运营安全都将产生一定程度的影响，特别是隧道底部可能的大型溶洞对隧道基底的稳定性影响更应引起高度重视。
3.2 探测方法选取
由于岩溶地区探测的特殊性，经数次实践证明，瞬变电磁法探测应用效果优于其他几种探测方法。探测对象所赋存的地质条件和埋深是影响物探效果至关重要的因素。探测对象的几何形态，包括高度、长度、宽度等也影响探测的效果，因为探测对象的几何尺寸决定了探测深度及系统具有的分辨率，关系到线圈大小、规格的选择。再者，被探测对象的导电率和介电常数等也需掌握，因为这将影响到对能量反射或散射的识别。
3.3 现场工作方法
①参数设置及测点布置
初步建立适合隧道场地的工作方法，发射装置经过比较选用3×3m，8匝线框，接收装置选用向后屏蔽的250K磁探头。由于是探测掌子面前方的地质情况，所以发射线圈及接收探头都固定在田字形的发射架上。测点布置如（图2）所示在隧道中部（后方50m内没有其它影响）垂直于隧道中轴或两侧作一测线，以测量隧道内的背景值。
②瞬变电磁成果解释
将测量所获得的数据经过三维全方位处理分析，包括滤波、圆滑、正演、反演等，突出了低阻体的异常，并把处理结果绘制成电阻率剖面图，再根据剖面图上所反映的电阻率在空间的变化情况，作出推断解释。
本次探测结合地质编录、三面展开图、开挖地质记录分析，位于ZDK35+950掌子面进行TEM探测，探测位置前方42m～50m范围视电阻率很低，推测其为溶蚀管道或充泥溶洞。视电阻率等值线图见图3。
③开挖对比
瞬变电磁法探测预报结果：ZDK35+992～ZDK36+000段视电阻率很低，推测其为溶蚀管道或充泥溶洞，围岩裂隙，溶隙发育，局部破碎，具备隐伏水体聚积。
开挖结果：开挖至ZDK35+990，掌子面出现泥质冲天溶蚀裂隙，并伴有岩溶水渗出；开挖至ZDK35+993时，掌子面左侧为一溶洞尾端，右侧为溶槽。通过开挖，确定该处为一溶洞边缘，下部为泥质充填。
预报结果证明，瞬变电磁对充填溶洞探测准确率高，预报成果清晰、直观。通过本次探测，预防了溶洞对开挖施工的影响，避免了不必要的损失。
4 研究成果及体会
①选用的瞬变电磁设备是能够适应隧道内的复杂环境，并获得相对有效的数据。
②对瞬变电磁解释方法采用隧道地电模型的等效导电平面解释方法，且引入了遗传算法这一全局最优化方法到等效导电平面法中，减小解释的等值范围，增加解释的精度。经过对视纵向电导曲线进行微分处理使得结果更加清晰可辨。
③瞬变电磁法对隧道施工中遇到的岩溶、地下水进行超前地质预报是有效地。
5 结束语
本文根据当前国内外在隧道（洞）工程超前地质预报中对岩溶、含水构造难于做出准确预报的情况下，引入TEM法。在试验成功的基础上进行了现场实际应用，取得了很好的成果。本法对岩体中存在的岩溶、地下水及围岩类别预报准确度较高。给施工提供大量的具有指导意义的结论与建议，减少工程中因围岩条件变化而带来的灾害性事故。我们将在总结经验的基础上继续提高应用水平，服务于隧道的施工。
参考文献：
[1] 瞬变电磁法理论与应用 李貅 编著 陕西科技出版社 2002.9
[2] 隧道超前地质方法 叶英 2003年公路隧道论文集
[3] 霍全明，王玉海，罗国平，等. 瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用. 西安：西北工业大学出版社，1994
[4] 李金铭，罗延钟主编﹒ 电法勘探新进展﹒ 北京：地质出版社，1996
[5] 蒋邦远主编﹒ 实用近区磁源瞬变电磁法勘探 . 北京：地质出版社，
作者简介：
温佐彪，单位：成都畅达通地下工程科技发展有限公司，部门：检测部，职务：部长，学历：本科，研究领域：隧道（洞）超前地质预报及监控量测方面的研究。