含良导金属设施隧道中导线源瞬变电磁法对低阻异常体探测的可行性

冉尚; 沈金松; 龙刚; 张成; 张家硕

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503184

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :75-87 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503184

天文学、地球科学

含良导金属设施隧道中导线源瞬变电磁法对低阻异常体探测的可行性

冉尚 ¹^,² ,
沈金松 ²^,^* ,
龙刚 ² ,
张成 ² ,
张家硕 ²

作者信息 +

Feasibility of Wire-source Transient Electromagnetic Method for Detecting Low-resistivity Anomalies in Tunnels Containing Metal Infrastructures

RAN Shang ¹^,² ,
SHEN Jin-song ²^,^* ,
LONG Gang ² ,
ZHANG Cheng ² ,
ZHANG Jia-shuo ²

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摘要

隧道中金属设施的高电导率会产生强烈感应干扰,导致瞬变电磁信号畸变、延迟甚至掩没,从而降低数据的可靠性与解释精度。因此,研究金属干扰下的有效探测方法具有重要意义。基于有限体积法与八叉树自适应网格开展三维数值模拟,系统研究了导线源瞬变电磁法在含良导金属设施隧道中的探测特性与应用可行。结果表明,高电导率的金属设施会感应生成强烈的二次场,在早中晚期持续压制低阻异常响应;相较于传统线圈源系统,导线源系统在强干扰条件下仍能保持清晰的异常特征,展现出更强的抗金属干扰能力。揭示了金属干扰的作用机制,并系统比较了横向与轴向布设方式下的响应差异,提出了通过增大偏移距削弱金属干扰、提高信噪比的有效策略。进一步提出双侧接收点相对误差法,实现了异常体空间定位;同时验证了导线源在超前探测中的可行性,分析了在限制空间中导线源系统超前探测的有效深度。研究结果为复杂隧道环境下瞬变电磁法的抗干扰探测与目标定位提供了新的理论依据与方法参考。

Abstract

The high conductivity of metal infrastructures in tunnels induces strong electromagnetic responses, leading to signal distortion, delay, and even masking in transient electromagnetic (TEM) measurements, which reduces data reliability and interpretation accuracy. To address this challenge, a three-dimensional numerical modeling study was conducted using the finite volume method with an octree adaptive mesh to investigate the performance and applicability of the wire-source TEM method in tunnels containing conductive metallic structures. Results demonstrate that highly conductive metals generate strong secondary fields that suppress low-resistivity anomaly responses across all time stages. Compared with conventional loop sources, the wire-source system exhibits superior anti-interference capability and clearer anomaly responses under strong metallic interference. The mechanism of metal interference was revealed, and the response differences under the lateral and axial layout methods were systematically compared. An effective strategy of weakening metal interference and improving the signal-to-noise ratio by increasing the offset distance was proposed. The relative error method of the two-sided receiving points was further proposed, and the spatial positioning of the abnormal body was achieved. Meanwhile, the feasibility of the wire source in advanced detection was verified, and the effective depth of advanced detection of the wire source system in confined space was analyzed. The research results provide a new theoretical basis and methodological reference for the anti-interference detection and target positioning of transient electromagnetic methods in complex tunnel environments.

Graphical abstract

关键词

瞬变电磁法 / 导线源 / 数值模拟 / 金属干扰 / 隧道探测 / 低阻异常

Key words

transient electromagnetic method / wire source / numerical simulation / metal interference / tunnel detection / low-resistivity anomalies

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冉尚, 沈金松, 龙刚, 张成, 张家硕. 含良导金属设施隧道中导线源瞬变电磁法对低阻异常体探测的可行性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 75-87 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503184

RAN Shang, SHEN Jin-song, LONG Gang, ZHANG Cheng, ZHANG Jia-shuo. Feasibility of Wire-source Transient Electromagnetic Method for Detecting Low-resistivity Anomalies in Tunnels Containing Metal Infrastructures[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 75-87 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503184

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近年来,随着中国矿产资源开采深度的不断增加,采空区及其富水体的隐伏性和复杂性显著增强,极易诱发巷道坍塌、突水透水、瓦斯积聚等重大安全隐患^[1-3]。瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)因具有较强的分辨能力和探测深度,在矿井及隧道地质探测领域得到了广泛应用,可有效识别采空区、充水溶洞及破碎带等低阻异常体^[4-7]。然而,隧道中广泛分布的金属设施(如钢拱支护、铁轨、管线及电缆等)具有极高电导率,会感应产生强烈的二次场,导致观测信号畸变、延迟甚至掩没有效响应,严重影响瞬变电磁法在隧道环境中的应用效果^[8-9]。因此,研究金属干扰条件下的瞬变电磁探测规律及抗干扰方法,对提升隧道地球物理探测的可靠性具有重要意义。

已有研究从不同角度探讨了金属干扰效应及其校正方法。周璇等^[10]和孙怀凤等^[11]分别基于二维和三维有限差分数值模拟,分析了巷道支护及掘进机金属结构对瞬变电磁响应的影响,并提出了校正系数法和干扰去除策略。牟义等^[9]基于现场探测,分析了矿井隧道中单一及多源金属干扰因素的瞬变电磁响应特征。Zhou等^[12]基于物理建模的方式分析了金属干扰对瞬变电磁超前探测的影响,并提出了有效的校正方法。Li等^[13]结合数值模拟和室内实验,研究了铁轨干扰条件下车载瞬变电磁法探测含水异常体的可行性。王雷生等^[14]通过在接收端引入单向屏蔽结构,有效压制了非探测方向的干扰,显著提升了目标识别能力。Li等^[15]基于时域有限元法开展了隧道掘进机环境下的三维瞬变电磁正演研究,验证了在高导掘进机的影响下使用导线源进行超前探测的可行性。韩自强^[16]利用室内物理模拟实验探讨了掌子面附近金属体对超前地质探测的影响,并采用比值法实现了受干扰数据的有效校正。Li等^[17]进一步提出基于导线源系统的侧帮探测方法,揭示了偏移距与信噪比之间的定量关系,但未考虑金属设施的影响。周健等^[18]通过现场试验分析了金属干扰体对线圈源系统的瞬变电磁响应特征,并以多项式拟合法对受干扰信号进行校正。朱姣等^[19]利用三维有限元法分析了金属支护与块体金属对响应畸变的影响,指出可通过改变金属体与线圈的距离消减金属体的干扰。李毛飞等^[20]和贾波等^[21]基于数值模拟分别讨论了线圈源和电性源系统在矿井隧道透视探测中的瞬变电磁响应特征,但缺乏对金属设施干扰特征的综合分析。辛成涛等^[22]通过物理模拟研究了钻孔瞬变电磁接收线圈的定向屏蔽特性,为抑制金属耦合提供了实验依据。上述研究从不同角度揭示了金属设施对瞬变电磁响应的影响规律及其在复杂环境下的传播特性,也为无干扰条件下导线源系统的探测性能提供了基础认识。

总体来看,现有工作主要集中在线圈源系统的探测与干扰分析,对导线源系统在含良导金属设施隧道中的电磁响应机制、抗干扰能力及优化布设策略的研究仍相对不足。同时,针对侧帮、顶板及前方异常体的多场景综合探测缺乏系统分析与对比验证。为此,现基于有限体积法与八叉树自适应网格的三维数值模拟,建立包含隧道、钢拱支护及铁轨的高对比度模型,参考钻孔探测将发射和接收器埋入隧道墙壁增加耦合,系统分析导线源系统在不同布设方式(横向与轴向)、偏移距及接收分量条件下的电磁响应特征;提出通过增大偏移距以削弱金属干扰、提高信噪比的优化策略;引入双侧接收点相对误差法,实现异常体空间定位;并进一步验证导线源系统在超前探测中的可行性与有效深度。

1 理论和方法

1.1 三维TEM模拟

在给定求解区域Ω内,瞬变电磁的控制方程为

(1)$\nabla \times E+\frac{\partial B}{\partial t}=0$

(2)$\nabla \times {{\mu }^{-1}}B-\sigma E-\varepsilon \frac{\partial E}{\partial t}={{J}_{s}}$

式中:E为电场强度,V/m;B为磁感应强度,T;J_s为电流源项;σ为电导率,S/m;ε为介电常数;μ为磁导率。使用有限体积法对式(1)和式(2)进行空间离散^[23-25],可得

(3)$\frac{\partial B}{\partial t}=-\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{l}E$

(4)$Cur{{l}^{T}}{{M}_{f\mu }}B={{M}_{e\sigma }}E+{{M}_{e\varepsilon }}\frac{\partial E}{\partial t}+{{J}_{s}}$

式中:Curl为旋度算子的矩阵离散形式;M_f_μ、M_e_σ、M_e_ε分别为磁导率倒数、电导率和介电常数的平均矩阵^[26-28]。接着利用向后Euler差分格式对式(3)和式(4)进行时间离散,可得

(5)$\frac{{B}^{\mathrm{n}+1}-{B}^{n}}{\delta t}=-\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{l}{E}^{n+1}$

(6)$Cur{{l}^{T}}{{M}_{f\mu }}{{B}^{n}}^{+1}={{M}_{e\sigma }}{{E}^{n}}^{+1}+\frac{1}{\text{ }\!\!\delta\!\!\text{ }t}{{M}_{e\varepsilon }}({{E}^{n}}^{+1}-{{E}^{n}})+J_{\text{s}}^{\text{n}+1}$

将式(5)代入式(6),并消去Bⁿ⁺¹,得到电场强度的Helmholtz方程离散形式为

(7)$\left(\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{r}{\mathrm{l}}^{\mathrm{T}}{M}_{f\mathrm{\mu }}\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{l}+\frac{1}{\mathrm{\delta }t}{M}_{e\mathrm{\sigma }}+\frac{1}{\mathrm{\delta }{t}^{2}}{M}_{e\mathrm{\epsilon }}\right){E}^{n+1}=\frac{1}{\mathrm{\delta }t}\left(\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{r}{\mathrm{l}}^{\mathrm{T}}{M}_{f\mathrm{\mu }}{B}^{n}+\frac{1}{\delta \mathrm{t}}{M}_{e\mathrm{\epsilon }}{E}^{n}-{J}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{n}+1}\right)$

在求解式(7)时,使用Dirichlet边界条件,即离散网格的边界范围必须足够大,以便在网格边界上的解满足边界条件^[29]为

(8)${\left.E\times \stackrel{\wedge }{n}\right|}_{{\mathrm{\Omega }}_{BC}}=0$

式(8)中:$\stackrel{\wedge }{n}$为与边界表面Ω_BC正交的单位向量,其中下角标BC表示边界单元(boundary cell)。

1.2 含良导设施隧道探测空间的离散化策略与观测系统设置

隧道模型与观测系统设置如图1所示。根据隧道的空间特征,分别采用横向布置和轴向布置的导线源进行测量。导线源的发射电极埋入隧道墙壁0.5 m深。发射电流为阶跃电流,供电电流为1 A。在隧道中考虑了钢拱支护和铁轨的存在,加入间隔为1.5 m的两条铁轨,以间隔为1 m沿着隧道布置钢拱支护^[19]。考虑到钢拱支护通常使用锚杆将其固定在隧道岩壁,与地层具有较好的耦合,在离散钢拱支护时将其部分埋入背景介质。背景介质为均匀介质,电导率为0.003 3 S/m。隧道长度为200 m,截面积为5 m×5 m,其中充填空气,因此将其电导率设置为1×10^-8 S/m。钢拱支护和铁轨的截面积都被设置为0.2 m×0.2 m,电导率设置为5×10⁶ S/m。同时,考虑到金属干扰物的磁导率是不可忽略的影响因素,在此将磁导率设置为100μ₀(μ₀为真空中的磁导率)^[19,31]。

模型的离散化如图2所示。为了兼顾计算精度与效率,采用八叉树网格对计算域进行离散化,共计650 882个离散单元。该方法可以在关键区域(如导线源附近、接收点处、金属设施周围)提高网格分辨率,同时在远离源区的区域使用较粗的网格,以降低计算成本(精细剖分区域使用的最小单元尺寸为0.1 m)。在模型中同时存在高阻的隧道和高导的金属设施,电导率差异非常大导致离散方程系数矩阵的条件数非常大,迭代求解器求解正演方程难以收敛。因此,使用 Pardiso 直接求解器^[32]求解离散方程,该求解器能够高效求解大型稀疏线性系统,适用于复杂介质中的电磁计算。

1.3 正演算法准确性验证

尽管隧道TEM探测可视作一个全空间问题,但是隧道中存在高阻的空气,对于电性源激发的电场分布仍有显著的影响。因此,设置一个均匀的半空间模型对算法进行验证(均匀半空间的电导率为0.01 S/m,空气的电导率为1×10^-8 S/m)。线源长度设置为20 m,两极坐标分别为 (0,-10,0)m和 (0,10,0)m。接收点坐标为(50,0,0)m。发射电流波形为阶跃函数,电流设置为1 A,观测时间为10^-6 ~ 10^-2 s,接收dB_z/dt。同样基于八叉树网格进行离散,非加密区域的网格单元尺寸为25 m,仅在发射源和接收点位置进行加密,以获取更精确的数值解。发射点和接收点处以不同尺寸单元进行加密得到的数值解如图3所示,结果表明基于八叉树网格离散的数值解与解析解吻合良好。图3(b)表明对发射点和接收点进行加密有助于提升数值模拟的精度,可以有效降低早期响应的误差,计算精度总体上是随着加密单元的尺寸缩小而提升。在使用图2所示模型进行隧道探测模拟时,使用的最小单元尺寸为0.1 m,这表明隧道模型的离散单元尺寸可以满足模拟要求。

2 良导设施对瞬变电磁响应的干扰特征与导线源的布设优化

2.1 良导设施对瞬变电磁响应的干扰特征分析

在横向布置下,将偏移距固定为10 m,并分别将金属设施的电导率设定为1×10³、1×10⁴、1×10⁵、1×10⁶ S/m,以系统评估不同干扰强度对瞬变电磁响应的影响。同时,为了分析在金属设施的影响下不同观测系统布设在探测低阻异常效果上的变化,在隧道右侧(y > 0)50 m处设置一个大小为50 m×50 m×50 m的低阻异常体,其电导率设置为1 S/m。图4(a)中展示了各电导率条件下的时域响应曲线,而图4(b)则给出了异常体信号的相对误差随时间的变化。结果表明,随着金属设施电导率的升高,其干扰信号不仅在时间上从早期向晚期平移,而且幅值显著增强。在金属设施响应最强的时间范围内,异常体的响应特征受到最大程度的压制,表现在图4(b)中就是异常体响应的相对误差出现两次波动。与此同时,干扰信号的持续时间随着电导率的增加而延长,进一步加剧了对异常信号的遮蔽效应,从而可能削弱探测系统对深处目标的分辨能力。

在同一隧道模型中,比较了线圈源与导线源两种激发方式在偏移距为10 m条件下的瞬变电磁响应。线圈源尺寸设置为2 m×2 m,对准y方向的低阻异常体并接收y方向的dB/dt信号;导线源采用横向布置,发射与接收点埋入隧道岩壁0.5 m处,接收y方向电场。两种系统均以1 A阶跃电流激励,在有金属设施和无金属设施情况下,线圈源和导线源系统测量得到的响应如图5所示。图5(a)表明线圈源系统受金属设施的干扰影响非常显著,基本无法识别异常体的响应特征。图5(c)的相对误差显示仅在第一次符号反转点存在细微差异,但该细微差异可能与异常体本身关联不大。采用导线源进行测量的响应如图5(b)所示,结果表明导线源系统受金属设施的干扰影响更小,测量响应的衰减相较于图5(a)并没有发生剧烈的变化,金属设施的影响主要集中在中期和晚期。图5(d)表明尽管金属设施在中期和晚期仍会对异常体的响应有一定压制作用,但并不足以完全掩盖有效信号,仍然保持了较强的异常响应特征。此外,基于导线源测量得到的信号强度更高,响应的整体幅值相较于线圈源要高出几个数量级。但是在无金属设施干扰的情况下, 线圈源系统对低阻异常体更加敏感,测得异常响应特征更显著。

仍然采用图5(b)中的实验设置,发射源采用横向布置导线源,仅对接收点位置和接收分量做调整。将接收点从隧道右壁调整到隧道中心,接收信号为x、y、z这3个方向的dB/dt,模拟响应如图6所示。尽管dB/dt的幅值相较于电场强度要低数个数量级,但在y方向的接收响应中仍然测量到了显著的异常体响应。与图4(a)中线圈源激发产生的瞬变电磁低阻异常响应幅值更高的特点不同,在叠加了金属设施的响应之后,导线源激发方式测得的有异常响应[图6(b)]相较于无异常响应反而表现出幅值更低的特征。对比图5(a)中线圈源在受干扰情况下的响应,图6的结果进一步表明导线源激发相较于线圈源在抗金属设施干扰上更具优势。

2.2 导线源优化布设

2.1节的实验表明导线源对隧道中金属设施响应的抗干扰能力更强。为了进一步增强导线源系统的观测能力,进一步分析不同布置方式对测量的影响。根据隧道的特征,以横向布置和轴向布置两种方式对异常体进行探测。横向布置就是将导线源横跨隧道,电流方向垂直于隧道轴线。而轴向布置就是将导线源沿隧道轴线方向布置,与隧道结构平行。由于隧道空间有限,横向布置的导线源长度取决于隧道的宽度。而轴向布置的导线源长度则取决于隧道的长度,可布置更长的导线源进行激发。在这一特征的约束下,横向布置主要测试不同偏移距对测量的影响,轴向布置则同时测试不同导线源长度和偏移距对测量的影响。

为了对比相同条件下横向布置和轴向布置导线源系统在探测低阻异常时的差异,采用相同导线源长度(6 m)和偏移距(10 m)。横向布置的导线源,y方向是其主轴方向,如图7(b)所示E_y的幅值最高。在3个方向的接收分量中,可以明显观察到异常体响应特征的分量只有y分量和z分量。

然而,z分量的响应更近似噪声,在第一次符号反转之后响应呈水平变化,衰减趋势与正常响应衰减存在差异。图7(d)~图7(f)为轴向布设导线源激发的响应,x方向是其主轴方向,在该方向的响应幅值最高。然而,x方向和z方向的电场分量并不能观测到分布于y方向异常体的响应特征,仅有y方向电场分量存在明显的异常响应特征。此外,轴向布置导线源的y分量显然更容易受到高阻隧道和金属设施的影响,导致响应在早期和中期都出现符号反转现象。

尽管轴向布置的导线源系统对y方向异常体探测的同时受到高阻隧道和金属设施的影响,但轴向布置提供了更大的空间用于增加导线源的长度。这或许可以加强对异常体响应的识别,降低金属设施的干扰。以两种方式进行测试:固定偏移距为10 m,变化导线源长度(1、5、10、20 m);固定导线源长度为10 m,变化偏移距(10、20、30、50 m),得到的响应如图8所示。

如图8(a)所示,增加导线源长度可显著提高测量响应的幅值。随着导线源长度的增大,有异常和无异常响应在第二次符号反转点附近的差异逐渐增大,更有利于识别异常体的响应特征。图8(b)中增大偏移距同样表现出响应幅值的提升,但是异常响应的差异并没有随着偏移距的增大而加强,反而差异略微减弱。此外,小偏移距会在早期出现符号反转现象。这表明尽管轴向布置的导线源系统以更大的导线源长度和更小的偏移距可能更有利于增强异常体的响应特征,但为了避免多次符号反转现象的出现,适当的增大偏移距也是合适的选择。

横向布置的导线源两极布置在隧道左右两侧的墙壁上,导线源的长度取决于隧道的宽度,因此将横向布置的导线源长度设置为6 m(两极埋入墙壁0.5 m)。如图7(b)所示,在导线源轴向方向上接收到的电场分量幅值最高,异常响应特征最明显。因此,以y分量进行对比,不同偏移距下测得的响应如图9所示。在较小偏移距时,测量响应存在符号反转现象,当偏移距增大到5 m之后,符号反转现象消失。并且随着偏移距的增大,异常响应的幅值增大,持续时间延长。这可能是随着接收点远离发射中心,金属设施的响应快速衰减使其对异常体响应的压制作用降低,从而可以观测到更显著的异常响应特征。

3 隧道顶部侧帮与超前异常体的识别与探测

为验证导线源瞬变电磁法在含良导金属设施隧道中探测低阻异常体的可行性,开展了三维数值模拟研究,系统分析其在三种典型探测情形下的响应特征。根据低阻异常体相对于隧道的空间分布,分别构建顶部、侧帮及超前3种模型场景,以评估导线源系统的探测灵敏度、抗干扰能力及布设优化效果。所有模型均基于有限体积法在八叉树自适应网格上离散构建,以精细刻画隧道、金属设施及低阻异常体。模拟过程中重点分析了导线源布设方式与接收位置对响应特征的影响,为复杂隧道环境下的工程应用提供可行性依据。

3.1 上覆积水采空区探测

设计了如图10(a)所示的上覆积水采空区模型,隧道及采空区的网格剖分如图10(b)和图10(c)所示(仅展示x-z与y-z平面)。采空区电导率为 1 S/m,尺寸为150 m×100 m×10 m,位于隧道顶板上方约50 m处。背景介质电导率设为0.003 3 S/m,隧道及金属设施的参数和剖分方式与前文一致,如图2所示。

根据前述分析(图7、图9),横向布设的导线源能够有效避免接收信号的多次符号反转,并在偏移距不小于 10 m 时展现出更加显著的异常响应特征。基于此,采用图1(b)所示的横向导线源布置方式,在距发射源 10 m 处的隧道左右侧壁(y < 0 为左侧,y > 0 为右侧)、顶板及底板分别设置接收点。由于导线源轴向电场分量(E_y)幅值最高且对低阻异常体最为敏感,同时不存在符号反转现象,因此选取 E_y分量作为接收响应进行分析。

采空区位于隧道顶部时,其模拟响应如图11所示。结果表明,顶部异常在4个不同方位接收响应中均表现出有异常体时响应幅值低于背景响应的特征,即出现典型的“负异常”。这一特点在Li等^[15]的研究中也有类似的表现,在金属干扰的影响下测得的低阻异常响应呈现幅值更低的特征。由于模型对称性,左右侧接收点的响应曲线[图11(a)]几乎完全重合,差异可忽略。位于顶板的接收点对上覆采空区最为敏感,有无异常体时的响应差异显著;但受高阻隧道和金属设施影响,电场分布复杂,响应曲线中出现多次符号反转。底板接收点对异常体的敏感性相对较低,仅能观察到幅值上的微弱差别。综合分析表明,接收点在隧道中的空间分布对探测结果具有重要影响,应根据目标体所在方位合理布设接收位置,以获得最优探测效果。

3.2 侧帮积水采空区探测

侧帮的采空区探测同样是隧道实际探测的重要目标。为分析其响应特征,设计了如图12所示的侧帮采空区模型。采空区电导率为1 S/m,大小设置为150 m × 100 m × 10 m,位于隧道右侧50 m处。观测系统、背景介质、隧道及金属设施的参数均与前述模型保持一致。为避免隧道两侧网格加密程度不同造成的非对称误差,对左右两侧采空区所在区域均进行了相同精度的网格加密,以保证模型对称性。发射源采用横向布置的导线源,在距发射源10 m 的隧道左侧、右侧、顶板及底板布设4个接收点,接收电场的 y 分量(E_y)作为响应。

图13展示了侧帮采空区的模拟响应。与顶部异常的“负异常”特征不同,侧帮异常表现为“正异常”,即低阻体引起响应幅值增强。无异常时左右侧响应基本一致[图13(a)],而当右侧存在采空区时,响应明显增强并出现轻微差异。顶板测点对侧帮异常仍具较高敏感性,早期响应增强且符号反转延后;底板测点受金属干扰较强,对异常不敏感,整体幅值较顶板高出一至数个数量级。

图13的模拟仅考虑了低阻异常体位于隧道右侧的情况。然而在实际探测中,由于电磁场的全空间效应,往往难以直接判断异常信号来自探测方向还是反方向。图13(a) 中左右侧接收响应虽差异较小,但已呈现出一定的不对称性,这提示通过对比左右两侧接收结果,可能实现异常体方位的判别。基于此,进一步模拟了异常体位于隧道左侧的情形,并分别计算两种情况下左右侧接收点的响应及其相对误差,结果如图14所示。可以看出,通过对比隧道两侧接收点的响应幅值变化,可有效判别低阻异常体相对于隧道的空间方位。当采空区位于隧道左侧时,左侧接收点的响应幅值显著高于右侧,对应的相对误差为负值;反之,当采空区位于隧道右侧时,右侧接收点的响应幅值更高,相对误差为正值。该结果验证了双侧接收相对误差分析法在侧向异常识别中的可行性。同时结合图11(a)和图13(a)的响应特征可进一步区分异常信号的来源方向。需要指出的是,尽管顶板接收点对低阻异常最为敏感,但由于缺乏可比参照,其在方位识别方面的判别能力有限。

3.3 超前探测富水区异常

除了隧道侧帮区域的富水异常外,隧道掘进过程中前方水害的提前识别同样至关重要。针对隧道掌子面前方不良地质体的探测通常称为超前探测,其主要目标是识别如陷落柱、溶洞及富水破碎带等低阻异常体。与侧帮探测相比,超前探测的接收点可直接布设在掘进面上,由于探测方向前方没有金属设施干扰,测量信号的信噪比通常更高。传统的超前探测多采用线圈源系统[图15(a)],而关于导线源系统在超前探测中的应用研究仍较为有限。

为分析导线源系统在超前探测场景下的适用性,构建了如图15(b)所示的三维数值模型。模型中隧道总长200 m,在隧道前方20 m处设置一个低阻异常体,尺寸为10 m×50 m×100 m,电导率为1 S/m,背景围岩电导率为0.003 3 S/m。接收点布设在掘进面中心,并埋入掘进面0.5 m,同时对接收区域网格进行加密以提高响应精度。发射源采用如图1(b)和图1(c)所示的导线源布设方式,用于对比分析不同布设方式的探测效果。

以轴向布设导线源激发,改变源和接收点间的偏移距,并分别接收电场 E_x 与磁感应强度变化率 dB_z/dt 的响应,对比有无异常体时的相对误差,结果如图16所示。当偏移距为 0 m(即导线源一端接触掘进面)时,异常体的识别效果较差,相对误差极低。随着偏移距增大,异常响应逐渐增强,在偏移距约 20 m 时达到最强;当偏移距继续增大时,异常特征逐步减弱。同时,由于接收信号出现符号反转,部分时段的相对误差峰值较高。相比之下,磁感应强度变化率 dB_z/dt对低阻异常体表现出更强的敏感性,异常幅值差异更大且持续时间更长。这表明,在轴向布设导线源的超前探测中,接收dB_z/dt分量更有利于识别隧道前方的低阻异常。

以横向布设导线源激发,调整源和接收点间的偏移距,并分别接收电场 E_y和磁感应强度变化率dB_z/dt的响应,对比有无异常体时的相对误差,结果如图17所示。与轴向布设不同,横向导线源系统的响应随偏移距变化规律更为稳定。对于电场分量 E_y异常响应特征随偏移距增大显著增强,且未出现明显衰减;而磁感应强度变化率 dB_z/dt的响应随偏移距增大在时间上逐渐延后,异常幅值略有减弱。与图16结果一致,dB_z/dt的相对误差幅值远高于电场分量,表现出更高的异常敏感性。值得注意的是,即便在偏移距为 0 m(导线源一端接触掘进面)时,dB_z/dt仍可观测到显著的异常响应。这表明在掌子面上横向布设导线源并多点接收dB_z/dt,能够实现近距离的三维超前探测,为掌子面前方隐伏异常的快速识别提供了可行方案。

在图16(b)的基础上,通过改变低阻异常体与掌子面的相对距离,进一步评估轴向布设导线源系统的超前探测能力。以磁感应强度变化率dB_z/dt作为接收响应,并对比有无异常体时的相对误差,结果如图18所示。随着异常体距离由 25 m 增加至 150 m,异常响应逐渐减弱。当距离达到 100 m 时,异常体的相对误差仍保持在约 20%,表明异常信号在该距离内仍可有效识别。综合结果表明,轴向布设导线源系统在隧道环境中的有效超前探测范围约为 100 m,可满足掘进面前方低阻异常体地质预报的实际工程需求。

4 结论

基于数值模拟,系统研究了隧道环境中金属设施干扰下导线源瞬变电磁法的探测特性,主要结论如下。

(1)良导金属设施产生的二次感应场会在早中晚期持续压制低阻异常体的有效信号,是影响隧道 TEM 探测可靠性的主要干扰源。

(2)导线源系统较线圈源具有更强的抗金属干扰能力,能够在复杂隧道环境下保持较高的异常识别度。

(3)轴向布设虽可增大发射长度以增强整体响应,但在侧帮探测中对低阻异常敏感性有限且易出现多次符号反转;横向布设在适当偏移下可有效提升信噪比,是更适用于隧道侧帮和顶板探测的布设方式。

(4)横向布设导线源结合双侧接收点相对误差分析,可有效判别异常体的空间分布,为隧道侧帮和顶板异常探测提供了可靠的判别手段。

(5)在超前探测中采用轴向布设导线源并接收dB_z/dt,可有效提升对前方低阻异常的识别能力,为隧道掘进面地质预报提供可靠手段。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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