同度物探CFC隧道超前探水系统

CFC是一种电磁波反射法探水技术，用于公路、铁路、水路、矿山、地铁等隧道的围岩含水性与含水量的探测预报。可探测隧道掌子面前方的含水构造与围岩富水情况，CFC不受掘进机机头和拱架等金属机具的影响，采用阵列式观测系统，不占用掌子面，不仅可用于钻爆隧道，还能应用于TBM、盾构隧洞与煤矿巷道，探测距离可达100米，分辨率达到1m。

特点优势

技术特点：①对围岩含水敏感 ②探测距离远 ③预报含水体位置与含水量大小

探测距离远不受金属机具影响，用锚杆、电极做天线，电磁波传播于岩体中

分辨率高，米级，选用对岩体含水性最敏感的频段

可靠性，阵列接收，具有方向性，双通道记录，归一化处理，消除发射因素的影响

同时确定含水部位和含水量大小及最优波速与介电常数

实验对比

本文依托某铁路隧道的探水实例做 CFC 复频电导法与 TEM 瞬变电磁法的实际应用对比。

▌某铁路隧道工程概况

某铁路隧道全长 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 10.8×104m3/d，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(Pt1hs)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。

▌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。

数据处理结果得到掌子面 P5DK0+760 前方 100m 围岩含水结构的 CFC 偏移图像，如图 1 所示。

图 1 CFC 偏移图像

从偏移图像可以看出，CFC 预报结果如下表所示。

▌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+775～P5D1K0+855 段)，这是由瞬变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 2 所示。

图 2 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+775～0+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+775～P5DK0+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+813～P5DK0+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。

▌开挖验证

图3 开挖验证

▌现场地质素描结果如下：

1、P5DK0+760～P5DK0+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+783～P5DK0+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+827～P5DK0+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3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机具干扰，掌子面前方低阻异常可能是受电磁干扰导致。

▌小结

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。