《隧道瞬变电磁法超前地质预报技术规程》

ICS67.040

T/CSPSTCX-2020

X18

CSPSTC

团体标准

T/CSPSTCX-2020

隧道瞬变电磁法超前地质预报技术规程

Technicalspecificationforadvancedgeologicalpredictionoftunnel

transientelectromagneticmethod

（征求意见稿）

2020-xx-xx发布2020-xx-xx实施

发布

中国科技产业化促进会I

T/CSPSTCX-2020

隧道瞬变电磁法超前地质预报技术规程

1范围

为规范隧道瞬变电磁法超前地质预报工作方法和成果内容，推进该技术在隧道超前地

质预报领域的应用，制定本技术规程。

本规程规定了隧道瞬变电磁法超前地质预报的术语和符号、总则、瞬变电磁法预报系

统、地质预报方案设计、地质预报实施、地质预报成果与解释的方法。

本规程适用于隧道掌子面前方探测深度在零米至数十米的断层、岩溶、裂隙发育程度

及地质情况变化探测工作，在工作中除应符合本技术规程外，尚应符合国家、行业现行有

关标准的规定。

2规程性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版

本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》（DZ/T0187-2016）

《地-井瞬变电磁法技术规程》（DD2019-11）

《铁路隧道超前地质预报技术规程》Q/CR9217-2015

《公路隧道超前地质预报技术规程》DB35/T1866-2019

《城市工程地球物理探测规范》（CJJ7-2017）

《地球物理勘查技术符号》GB/T14499-1993

《地球物理勘查名词术语》GB/TXXXX-XX

3术语和符号

3.1术语

3.1.1隧道超前地质预报（TunnelAdvancedGeologicalPrediction）

隧道超前地质预报是指对隧道开挖掌子面前方的地质情况及不良地质体的工程性质

及位置、形状进行探测、分析解释及预报，并提出技术措施建议。

3.1.2超前钻探法（Geologicalpredictionintunnelbydrillingahead）

在隧道掌子面沿掘进方向施做超前地质钻探，以探明掌子面前方地质情况的方法。

3.1.3掌子面地质编录（GeologicalCataloguingofExcavatingface）

掌子面地质编录可以对岩层岩性和层位进行预测预报，基本原理是在掌子面和隧道两

壁出露的岩层与地表某段岩层为同一和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预报掌子

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面前方将要出现的岩层。

3.1.4瞬变电磁法（TransientElectromagneticMethod，简称TEM）

瞬变电磁法基本原理是介质在一次电流脉冲场激发下会产生涡流，在脉冲间断期间涡

流不会立即消失，在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律

主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深，以及发射电流的形态和频率。因此，可以

通过接收线圈或接地电极测量和分析二次场有关信息来了解异常体的空间分布，从而达到

探测地下目标体的目的。

3.1.5隧道瞬变电磁法（TunnelTransientElectromagneticMethod）

在隧道掌子面开展不同装置的瞬变电磁法超前探测，分析围岩电阻率与含水率的关

系，进一步推断隧道前方地质变化情况。

3.1.6发射机（Transmitter）

以发电机或电池为电源，经电源控制器发送特定波形（如：矩形、梯形、半正弦形、

三角形、伪随机等波形）。发射机的主要指标有发射功率、发射电流大小、发射电流关断

时间。它是瞬变电磁探测系统的一个重要组成部分。

3.1.7接收机（Receiver）

在收到同步触发信号后，通过接收天线、滤波器、放大器、A/D转换器等采集地下介

质被激励场激发的二次场信号的数据采集设备，它是瞬变电磁探测系统的另一个重要组成

部分。

3.1.8重叠回线装置（OverlappingLoopDevice）

发射回线和接收回线为两个大小和形状完全一样的回线重叠在一起，沿着剖面同步移

动或以相同角度同步偏移的装置。

3.1.9中心回线装置（CentralLoopDevice）

接收回线或探头放在发射回线的中心，发射回线和接收线圈沿着剖面同步移动或以相

同角度同步偏移的装置。。

3.1.10偶极装置（Dipole-DipoleDevice）

发射回线和接收线圈或探头在同一测线上保持一定等间隔同步移动或以相同角度同

步偏移的装置。

3.1.11定源回线装置（Fixed-loopdevice）

发射回线固定不动，接收线圈或探头沿测线移动进行观测的装置。可在回线内观测，

也可在回线外观测。

3.1.12电阻率（Resistivity）

用来表示各种物质导电性差异的物理量。而岩石电阻率的测量值又受控于岩、矿石成

分、结构及孔隙度等参数。。

3.1.13视电阻率（ApparentResistivity）

在地下介质电阻率不均匀的情况下，用均匀介质的电阻率理论表达式计算得到的电阻

率值。其数值与介质电阻率、形态和观测条件有关。

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3.1.14物性差异（Physicaldifferences）

不同岩石的物理性质差异。

3.1.15正演（Geophysicaldirectproblem）

根据地质体的几何参数和物性参数计算它的地球物理场值。

3.1.16反演（Geophysicalinversion）

利用测得的地球物理场数据，计算地质体的几何参数和物性参数。

3.1.17正常场（Normalfield）

物理场的相对平稳部分。

3.1.18异常场（Anomalyfield）

偏离正常场并超过一定数值的物理场。

3.1.19不良地质体（Unfavorablegeologicbody）

不良地质体是指对隧道工程建设不利或有不良影响的动力地质。这种不良地质可以引

起隧道掌子面塌方、突水突泥、崩塌、大变形等现象。

3.2符号

Tx-发射系统或发射回线；

Rx-接收系统或接收回线；

L-发射回线边长，m（米）；

I-发射电流强度，A（安培）；

V-接收线圈的感应电压，µV（微伏）；

t-采样时窗中心时间，ms（毫秒）；

B-磁感应强度，nT，T（纳特，特斯拉）；

-视电阻率，m（欧姆米）；

S

-视纵向电导，S（西门子）；

h

-视探测深度，m（米）。

4总则

4.1目的

利用瞬变电磁法探测隧道掌子面前方断层、岩溶、裂隙发育程度、富水区域及地质情

况变化，并对可能出现的地质灾害提出技术性措施，指导隧道施工的顺利进行。

（1）进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质和水文地质条件，预报掌子面前方

及周边一定范围内不良地质体的性质、规模、空间分布，以及围岩的完整性与含水量，并

为预防和规避隧道涌水、突泥、突气、岩溶、岩爆、塌方和大变形等风险及时提供信息，

以便施工单位提前做好施工准备，进而指导隧道施工顺利进行。为正确选择开挖断面、支

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护设计参数和优化施工方案提供依据；

（2）降低地质灾害发生的几率以及减轻事故发生的危害程度；

（3）为优化隧道施工方案及设计变更提供地质依据；

（4）为编制竣工文件提供地质资料。

4.2主要内容

（1）对富水断层、节理密集带等影响岩体完整性的构造发育情况进行预测预报；

（2）对岩溶水、裂隙水和孔隙水发育位置、规模及其性质进行预报；

（3）对软弱夹层（含煤系地层）、破碎地层、特殊岩土岩性变化进行地质预报；

（4）查明掌子面前方有无暗河等不良地质体的分布位置。

4.3适用条件

4.3.1探测的目标体与隧道围岩有可观测的电性差异。

4.3.2电磁环境噪音和人文因素在可控的范围内。

4.3.3探测隧道掌子面前方目标体距离一般不超过50m。

4.3.4探测隧道周边范围为隧道轴线3倍洞径内。

4.3.5工程地质、水文地质复杂的长隧道和特长隧道，地下水活跃、围岩软弱、可能发

生突水、突泥的隧道应开展隧道瞬变电磁法地质预报工作。

4.3.6存在多种干扰因素的隧道，应根据被探测对象的物性条件与其它探测方法相配

合，对所测得的瞬变电磁法资料和其他探测方法资料进行综合分析。

4.4工作装置

4.4.1重叠回线装置

用Rx线圈观测感应电压V或dBz/dt，见图1、2。

图1重叠回线位置偏移方式图图2重叠回线角度偏移方式图

4.4.2中心回线装置

用Rx线圈观测感应电压V或dBz/dt，也可观测dBz/dt、dBy/dt、dBx/dt三个分量，见

图3、4。

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图3中心回线位置偏移方式图图4中心回线角度偏移方式图

4.4.3偶极装置

用Rx探头或线圈观测感应电压V或dBz/dt分量，常用偶极工作装置见图5、6。

图5偶极位置偏移方式图图6偶极角度偏移方式图

4.4.4定源回线装置

用Rx探头或线圈观测感应电压V或dBz/dt、dBy/dt、dBx/dt中1~3个分量，常用定

源回线内工作装置见图7、8。

图7定源回线/方形布置示意图图8定源回线/圆形布置示意图

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5瞬变电磁法预报系统

5.1一般规定

5.1.1瞬变电磁法适用于探测任何地层中存在的地下水体位置及相对含水量大小，如断

层破碎带、溶洞、溶隙、暗河、采空区、陷落柱等地质体中的地下水。

5.1.2瞬变电磁法在隧道掌子面要尽可能激励大的磁矩，确保发射一次场影响范围足够

大，同时尽可能保证关断时间足够小，现场背景噪音小，确保获取有效的二次场信号，突

出隧道前方地质异常体的信号。

5.2瞬变电磁法仪器

5.2.1瞬变电磁仪探测系统应包括探测设备和系统软件。

（1）探测设备包括：发射-接收主机、天线及附件；

（2）系统软件包括：数据采集、数据处理、数据解释、成果展示等功能模块。

5.2.2现场编辑模块

包括：现场信息、电磁发射线圈、电磁接收线圈等测试参数信息。

5.2.3数据采集模块

（1）包括对发射机触发方式、发射参数（发射频率、占空比）、发射波形的设置与操

控；

（2）包括对接收机采样参数（采样率、道数、延时、叠加次数、信号增益）的设置

与操控。

5.2.4数据处理模块

（1）包括数据校正、数据圆滑、带通滤波等数字信号处理；

（2）数据处理模块能计算视电阻率、时间常数、纵向电导等参数，具体计算见附录A

条文说明；

（3）在现场已知地电参数较少时，瞬变电磁仪器深度的确定，可以用仪器配备软件

计算深度。也可以采用已知目标体的埋深和采样点时间反算电磁波传播速度，然后通过

h=v*t计算整个断面异常体的深度。在不同的隧道也可以采用经验速度值来计算；

（4）数据处理可融合隧道里程、物理参数计算等。

5.2.5视图与解释模块

（1）对已处理数据可显示衰减曲线、感应电压多测道剖面图、视电阻率剖面图、线

性/对数等多种显示方式；

（2）可在二维、三维场景展现数据的空间分布；

（3）能实现在视电阻率剖面图上显示隧道前方断层、岩溶等不良地质体的位置、根

据衰减规律分析围岩的富水情况及富水异常区分布，并以图表的形式展示。

5.2.6瞬变电磁仪在隧道掌子面可采用不同装置、不同大小线框、不同大小发射电流以

满足不同探测深度要求，详见附录A。

5.2.7瞬变电磁系统参数应符合下列规定：

（1）探测深度不超过50m；

（2）探测时窗宜为0~100ms；

（3）动态范围应为150dB；

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（4）测距误差应小于或等于0.1%；

（5）A/D分辨率为24位高精度；

（6）配置天线应具有抗干扰屏蔽功能。

5.2.8仪器保养和注意事项

（1）仪器在工作或放置时，尽量避免灰尘和阳光直射，严禁雨水浸湿任何部分；

（2）应防止仪器受碰撞和挤压；

（3）使用时要注意保护仪器连接接口，用完后及时将接口帽套上，以免进入灰尘，

影响数据传输；

（4）在现场使用完毕后，要注意清点配件是否齐全，以保证下次能顺利使用；

（5）电池不要充电时间过长或电量耗尽再充电；

（6）线圈与电池连接时，勿让接口处遇水；

（7）所有仪器设备，应指定专人负责，严格按操作手册规定使用、维护和管理；

（8）仪器设备应存放在阴凉、通风、干燥、无腐蚀性气体、无强磁场等的地方，使

用和运输都要在安全状态下进行；

（9）地质预报实施前和完成后，要对仪器设备进行全面检查、维护和校准；

（10）非生产期，所有仪器设备应每月进行一次通电检查，仪器电池应按说明书要求

定期充电；

（11）瞬变电磁法仪器及其附属设备应满足性能稳定、防潮、抗震和绝缘性良好等要

求；

（12）仪器应定期检查、标定和保养。

6地质预报方案设计

6.1一般要求

在实施隧道超前地质预报工作前应根据勘测、设计文件、任务书或合同规定任务，结

合补充地质调查、隧道施工组织等编制地质预报方案，明确瞬变电磁法地质预报的具体目

标并细化相关要求，指导预报工作进行。

6.2资料收集

根据工作任务要求，收集测区以下有关资料：

（1）隧道地质勘查资料，着重说明不良地质与特殊岩土、可能存在的主要工程地质

问题及地质风险；

（2）测区工程地质、水文地质、钻孔资料和以往地质勘察资料等；

（3）掌握特殊地质构造在隧道轴线上的分布位置、断层及破碎带宽度、性质、产状，

明确地层、不良构造与隧道的相互关系及因隧道施工揭露可能发生的地质灾害，初步提出

地质预报重点区段；

（4）测区的电磁干扰情况。

6.3踏勘

隧道掌子面地电条件不明或特殊围岩地区应组织现场踏勘，了解掌子面开挖现场、周

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围环境、调查电磁干扰源及其特征等。

6.4方法有效性分析

（1）地质预报目标体与隧道围岩之间是否存在可分辨的电性差异；

（2）隧道不良地质体预报距离是否在瞬变电磁法的有效探测深度范围内；

（3）依据收集的地质勘察资料，设计合适的地电模型，通过正演方法分析不良地质

体在正演曲线上的响应特征；

（4）以往的经验探测模式；

（5）当方法有效性不能确定时，应开展专门的方法有效性试验。

6.5方法试验

方法有效性试验应在设计前完成，选择观测参数的试验应在正式探测前完成。凡属下

列情况之一者，应进行方法有效性试验。

（1）探测断层、岩溶、裂隙水发育带等复杂条件下隧道不良地质体，方法有效性尚

不明确的现场；

（2）电磁噪声干扰较严重地区；

（3）探测不良地质体与围岩之间电性差异较小，或探测地质目标体的规模相对于预

报距离较小，不能确定探测出不良地质体异常响应的现场。

6.6探测装置、参数选择

6.6.1基本要求

应以已知隧道段或类似地质条件的隧道断面为参考进行正演模拟，求得最佳工作装置

及工作参数。

6.6.2工作装置选择

装置选择应考虑目标体的特性、电磁干扰、地质环境和现场条件等，并结合超前钻孔

进行验证。

6.6.3工作参数选择

（1）发射与接收线圈相关参数选择

由于接收线圈过渡过程对视电阻率的影响呈现出一定的规律性，可以通过合理的选择

接收线圈的有效面积、合理的设计其几何尺寸，使在此时分布参数作用下的电压畸变最小、

信号的有效时间范围最宽广。具体选择见附录A（A.1）。

（2）时窗范围确定

时窗范围取决于测区内所要探测的目标体的规模及电性参数的变化范围，地电断面的

类型、层参数、勘探深度等诸多因素，具体时窗范围应通过野外试验确定。具体选择见附

录A（A.2）。

（3）叠加次数

采样叠加次数应根据隧道现场实测的电磁噪声水平和干扰特征经试验后确定。

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6.6.4测量点距选择

（1）原则上应保证能够清晰完整地反映异常细节，同时还要保证现场测试的效率。

宜采用连续测量的方式，不能连续测量的掌子面可采用点测。连续测量时天线应匀速移动，

并与仪器的扫描率相匹配；点测时应在天线静止状态采样，测量点距不大于0.3m。

（2）测网密度、天线间距和天线移动速度应适应探测对象的异常反映；掌子面宜布

置两条测线，必要时可布置成“井”字形或其它网格形式。

6.7探测精度要求

6.7.1确定工作精度时，应遵循下述要求：

（1）工作精度可根据工作地区、工作任务及工作装置的特点，以取得较好的地质效

果为原则确定工作精度；

（2）应根据仪器的技术性能和测区人文干扰情况合理设计，其总精度不应超过现有

仪器设备所能达到的精度；

（3）应以能够观测与分辨勘査对象所产生的最弱异常为原则，应使最大误差的绝对

值小于任何有意义异常的三分之一。

6.7.2对于使用晚期道观测数据时，应单独统计拟用晚期道的精度，一般可采用不小于

噪声电平3倍的平均绝对误差来衡量。在要求高精度和进行定量计算时，可采用不小于噪

声电平5倍的平均绝对误差来衡量。

6.8预报方案编写

预报方案应在资料收集的基础上，经过对工作区认真踏勘，以隧道地质预报合同或任

务书的要求为依据进行编写。预报方案编写内容与要求参见附录B。其主要内容应包括：

（1）目的任务要求；

（2）地质与地球物理特征；

（3）已有工程资料分析；

（4）工作方法与技术；

（5）质量要求；

（6）预期成果；

（7）经费预算。

7地质预报实施

7.1一般规定

7.1.1根据任务合理选用仪器，仪器技术性能主要有：工作装置、发射频率、同步方式；

发射机的发射电压、电流及关断时间；接收机的时窗范围、采样道数、动态范围、灵敏度

及同步方式等。

7.1.2隧道瞬变电磁法地质预报应包括下列内容：

（1）现场踏勘与资料收集；

（2）制定预报方案；

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（3）数据采集；

（4）数据解释；

（5）异常点定位与复测；

（6）成果验证；

（7）成因分析与开挖建议；

（8）地质预报报告编写与提交。

7.1.3瞬变电磁法应按搜集资料、踏勘、编制方案、探测、初步解释、最终解释、成

果核对、必要的钻探验证、报告编写的程序进行，地质预报具体流程见图9所示。

图9隧道瞬变电磁法地质预报流程

7.1.4掌子面测线布设应符合以下规定

（1）测线布设应完整、连续、并应尽量避开电磁干扰源；采取措施尽量减小金属支

护结构等低阻体、发射线圈和接收线圈的互感效应对探测结果的影响；

（2）组装线圈支撑框架，将发射线框和接收探头（线框）固定在线圈支撑框架上；

准备工作就绪后，对掌子面进行探测。

1）按照位置偏移法，一般情况下布置一条测线，掌子面要尽可能平整，确保框架与

掌子面平行，从左到右紧贴掌子面移动框架，点测时每移动0.3m进行一次探测；若线测

（连续测量）时，点距可为0.1m；

2）按照角度偏移法，分别按不同角度朝多个方向进行探测并准确控制探测方位，在

横向上分别朝左偏45°、左偏30°、左偏15°、掘进方向、右偏15°、右偏30°和右偏

45°方向进行探测，在横向每个方向探测的基础上分别再进行上偏45°、上偏30°、上

偏15°、水平方向、下偏15°、下偏30°和下偏45°等多个方向进行探测。

（3）如遇围岩级别较低、钢架紧跟掌子面施做的情况，可将左右边界测点远离边墙

1m~2m探测，以减小钢拱架等金属质支护结构对探测结果的影响；

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（4）重点探测区域或异常可疑区域应加密布设。

7.2探测准备工作

7.2.1收集与探测相关的地勘资料与实际开挖记录。

7.2.2调查现场作业段的钢拱架架设间距、掌子面有无明水、隧道照明线路情况、作业

台架、挖掘机械等干扰因素，清理作业段，减小干扰。

7.2.3隧址区内不应有较强的电磁干扰；现场测试时应清除或避开测线附近的金属物等

电磁干扰物；当不能清除或避开时应在记录中标明，并标出位置。

7.2.4瞬变电磁法隧道超前探测应制定高效可行的探测方案，包括下列内容：

（1）探测区域工程地质与水文地质环境、周围钻孔等资料的收集与分析；

（2）探测工作的重点、难点及应对措施；

（3）探测内容、探测范围、测线布设等；

（4）技术依据、现场探测安排等；

（5）仪器设备、车辆和安全防护装备等配备；

（6）探测计划、质量和安全保证措施；

（7）拟提交的成果资料。

7.2.5凡属新区开展工作，应对区内各类岩石进行电性参数测定。

7.2.6发射机、接收机和线框的布设应满足以下要求：

（1）每个测站及线框布设时应校对里程号是否正确；

（2）发射机一般应设在便于与接收机联系的位置；

（3）使用前应检查导线连接处应接触良好，严禁漏电；

（4）做好接收机、发射机的防水工作。

7.2.7在探测工作开始前，应进行预报方案技术交底及安全培训。

7.3数据采集

7.3.1探测前对仪器进行详细检查，以确保其性能良好。

7.3.2瞬变电磁测量线圈如无屏蔽装置，为了减小测量时洞内电磁干扰，探测前应尽量

排除现场电磁干扰，移开金属物体，关闭多余电缆，只保留照明灯。

7.3.3在进行掌子面瞬变电磁探测前，应先仔细观察掌子面围岩的稳定情况，对可能掉

落的危岩及时处置，以保证探测工作顺利开展。

7.3.4数据采集应满足任务要求，并符合现行行业标准《城市工程地球物理探测规范》

CJJ7的规定。

7.3.5探测范围的设定应符合下列规定：

（1）探测范围应尽可能达到隧道直径3倍以上距离，要求在隧道掌子面有限空间尽

可能增大发射磁矩，以增大瞬变电磁法的预报距离；

（2）测线始、末端尽量避开隧道初期支护钢架；

（3）测线必须进行复测或有相邻平行测线；

（4）大定源回线测量时，回线长边应尽量布直；

（5）通过实地试验，合理选择采样延时、叠加次数、回线边长、点距；

（6）如叠加次数为n，可采用以n/2叠加次数读两次的方法采样，以获得较高的数据

质量；

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（7）支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作人员应与工作天线保持相对固定的

位置；

（8）在铺设发射回线时，严禁将多余的导线缠绕在线架上，应将其呈S形沿回线铺

于地面，否则会产生非常大的电感，造成假异常；

（9）数据采集时，金属物品（包括接收机）应远离探头2米以上，尽量避免人员在

探头附近活动；

（10）避免回线纵横边的接点线头接地，尤其是重叠回线装置，防止电场直接耦合；

（11）测线上天线经过的表面应相对平整、无障碍，且天线易于移动；测试过程中，

应保持工作天线的平面与探测面基本平行，距离相对一致；

（11）每个测点观测完毕后，操作员应实时检查数据和曲线，及时发现、剔除不合格

数据，并补测到合格数据后方可测下一点；

（12）应记录剖面岩性、结构、含水情况、稳定性等以及对读数质量有影响的因素，

以便后期解释时参考。

7.3.6数据采集应符合以下规定：

（1）探测开始前，应进行设备调试，确定瞬变电磁仪器发射频率、采样频率、时窗、

采样道数等参数；

（2）连续测量时，天线应按测线方向匀速移动；

（3）应记录采集数据对应的掌子面的高度及方向；

（4）现场记录应标明观测到掌子面不良地质体的位置与规模以及可能的干扰源信息

等；

（5）采集过程中遇到掌子面有台架或周围有强电干扰等情况而影响数据采集工作时，

应进行数据补测工作；

（6）重点异常区应重复观测，重复性较差时宜进行多次观测并查明原因；

（7）探测系统工作时，应进行必要的安全防护措施。

7.3.7探测参数设定应符合以下规定：

（1）探测参数设定应能满足隧道地质预报要求，达到最佳探测效果；

（2）探测参数包括发射频率、采样时窗、采样频率和其他常用参数；

（3）探测参数设定应在探测准备阶段进行，根据设备性能、探测环境和技术要求，

实地测试后确定。

7.3.8探测数据质量管理应从资料的完整性、工作参数选择的正确性、原始数据的质量、

现场干扰情况等方面进行检查和评价，不满足质量要求的，做返工处理。符合以下规定：

（1）在探测过程中，当原始资料不完整或质量不合格时，应及时进行补测或重测；

（2）质量检查的记录与原探测记录应具有良好的重复性，波形一致，异常没有明显

的位移；

（3）数据处理应符合信号保真性原则，有效信号预报距离应符合技术要求，预处理

结果应满足解释需要。

7.3.9探测原始资料应完整、真实、清晰，标示清楚，签署齐全，不得随意涂改或重抄。

内容包括：

（1）物探施测的各种原始记录和检查记录；

（2）仪器设备校验、标定及一致性检查的记录。

7.3.10数据采集安全作业管理应符合现行行业标准《铁路隧道超前地质预报技术规程》

Q/CR9217。

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7.4数据处理

7.4.1数据处理前，原始数据应完整、可靠、有效，发现问题应重新检测或补测。

7.4.2采集的数据视情况可进行去噪、去干扰、滤波处理，对多次复测质量较差的数据

予以剔除。

7.4.3在数据处理过程中，应采用增强有效信号、压制干扰信号、提高信噪比等手段，

使视电阻率等值线图能够清晰成像。

7.4.4必要时对发射电流关断时间影响进行改正。

7.4.5换算视电阻率、视深度、视纵向电导等参数。

7.4.6对数据处理结果进行检查校对，原始数据应及时归档，确保能够溯源。

7.4.7资料处理应使用仪器配套的处理软件系统。

7.5异常识别

7.5.1参与解释的测线剖面应清晰，通过视电阻率大小、等值线形状等特征确定异常体

性质。

7.5.2通过视电阻率异常追踪或利用异常形状、采样时间计算异常体的平面范围和深

度。

7.5.3应依据隧道瞬变电磁剖面曲线，结合发射回线、目标体、探头（接收线圈）的耦

合关系，确定是否存在异常。当在多测道剖面曲线上出现大于背景场2~3倍以上噪声水平

的连续3~5个测点、且所组成的曲线连续圆滑、轨迹清晰，可认为是不良地质体异常。

7.5.4通常采用从已知到未知的类比法和模型对比法研究异常的幅度、形状变化、时间

特性等特征规律，从而确定出现异常的位置。

7.5.5结合地质条件、视电阻率特征、被探测地质体的性质和几何特征、已知干扰进行

综合分析，必要时应进行瞬变电磁法正演和反演。

7.5.6若视电阻率等值线纵深剖面中低阻异常区域反映较为明显，则先勾绘异常轴或圈

出异常区域，结合地质资料和掌子面地质描述对异常区域做深入地质分析，判断引起异常

的原因，采用专业地质术语进行解释；若视电阻率等值线纵深剖面中低阻异常区域反应不

明显，则结合其它处理图件对视电阻率剖面图进一步详细分析，结合地质资料和掌子面地

质描述对前方围岩做出预报。

7.5.7在提交的时间剖面中应标出地层的视电阻率范围和探测对象的异常范围值。

7.5.8瞬变电磁数据异常识别要素应包括视电阻率大小、异常形状、异常的纵向延伸、

异常的连续性以及异常内部信息。

7.5.9数据综合解释应结合工程地质与水文地质资料、掌子面的干扰，剔除探测结果误

差，获取异常信息，并应解释该异常信息。

7.5.10瞬变电磁数据异常解释结果应包括断层、岩溶、裂隙发育带、地质情况变化等，

其异常识别应按照表1的规定解释。

表1隧道不良地质体异常特证汇总

不良地质类型异常剖面图特证

断层对于掌子面前方存在含水断层的情况，视电阻率等值线基本呈直线，且在断层区域

较为密集，视电阻率值随深度的增加而骤减。穿过断层后视电阻率等值线逐渐变稀

疏，视电阻率值随深度的增加继续均匀增大；

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T/CSPSTCX-2020

溶洞对于掌子面前方存在单一富水溶洞的情况，视电阻率等值线会在溶洞所在区域发生

弯曲甚至闭合，且该处视电阻率值较其它区域明显偏低。对于掌子面前方存在多个

富水溶洞的情况，剖面上多个溶洞对应区域都存在上述现象；

裂隙发育带对于掌子面前方存在多处含水裂隙的情况，视电阻率等值线会在对应区域发生小范

围闭合，且该处视电阻率值较低。

地质情况变化对掌子面前方不存在不良地质体的情况，视电阻率等值线基本呈直线，且视电阻率

值随深度的增加而均匀变化。

7.5.11不良地质体（储、导水构造）判断标准应以现场多次采集分析验证的数据为依

据，总结规律，找出隧址区异常标准值。根据经验总结并归一化处理，可推断某个视电阻

率范围为不良地质体。

7.6资料反演

反演应在对所测原始曲线进行滤波处理的基础上进行，根据各反演方法对已知地质资

料的适用性，确定一种合适的反演方法对全区或局部资料进行针对性反演。主要包括以下

内容：

（1）根据已知的地质资料，分析测区电性相对变化规律，初步了解测区剖面地质地

电结构，初步分析地电类型，为下一步反演做好准备；

（2）通过构建测区合理的地电正演模型进行反演测试，确定一种最佳的反演方法；

（3）反演得到深度-电阻率参数。

7.7资料解释

7.7.1资料解释应符合以下规定：

（1）在分析各项物性的基础上，按照从已知到未知、先易后难、点面结合、反复认

识、定性指导定量的原则进行，并选用典型断面做正演计算；

（2）结论应明确，符合隧址区的地质规律，与已知资料解释不一致时，应分析原因，

并对推断的前提条件予以说明；

（3）解释结果应说明探测对象的形态、产状、延伸等要素；对于已知资料不足，暂

时不能得出具体结论的异常，应说明原因；

（4）解释应充分利用各种探测方法的成果。有钻孔验证的隧道，应充分利用钻探资

料对解释结果进行全面修正。

7.7.2应采用仪器配备软件对获得的瞬变电磁资料进行数据处理与解释。

7.7.3在进行解释前应详细了解前期勘察资料，了解预报段附近的围岩岩性、稳定性、

地下水类型以及可能存在的不良地质体等；通过综合地质解释，逐个分析异常起因，做出

地质解释，并结合成果图加以表述。

7.7.4解释工作分为定性解释、定量解释和综合地质解释。在实际解释工作中，资料整

理、定性解释、定量解释和综合地质解释需交叉或反复进行，使得资料解释工作逐步深化。

7.7.5定性解释主要是利用整理后的曲线与理论曲线比较，依据物性和测区已知地质资

料和地质规律对异常的可能起因进行解释。

7.7.6定性解释应注意可能的多解性。当存在多解性时，应设法依据地质概况、物性差

异、正演模拟、综合资料等减少多解性；当不能给出唯一解释时，应说明最可能的解释及

可能的其他解释。

15

T/CSPSTCX-2020

7.7.7定量解释的主要任务是推断目标体的位置、产状、形态、大小、电阻率及空间位

置，常用的方法为三维正演拟合法。

7.7.8综合地质解释是结合测区地质、物性和干扰情况，并在现场查证所工作掌子面测

线的基础上，最终确定目标体的里程、产状及其空间分布，为隧道开挖验证提供依据。

7.7.9在进行综合地质解释时应将定性、定量和综合地质解释结果编绘成综合解释图，

评估资料解释推断成果的可靠性，说明可能存在的问题与不足。

7.7.10凡推断的不良地质体异常，均应提出开挖建议措施，建议书应包括定性和定量

解释结果与依据，建议的开挖支护参数及注意事项等。

7.8质量评价

7.8.1应从资料的完整性、齐全性、工作参数选择、原始数据质量、噪声干扰水平和质

量检查与误差统计的规范性等方面进行。主要包括下列内容：

（1）数据质量的定性评价：对相邻延时道的衰减曲线进行分析，一般来说，衰减曲

线连续性好的数据质量可靠，反之，衰减曲线连续性不好的数据质量不可靠；

（2）测区噪声干扰水平分析：测区的噪声干扰水平对晚期道的数据质量影响大，晚

期道的数据信噪比≥3的测道数据才可靠；

（3）测区工作参数选择的分析：应对工作参数（发射电流、发射线框边长、时窗范

围、固定增益、叠加次数等）进行评价。

7.8.2系统质量检查不应低于总工作量的3%。对异常地段、可疑点、突变点重点检查。

7.8.3系统质量检查时应绘制质量检查对比曲线和误差分布曲线并附误差统计表。

7.8.4在进行误差统计时，只统计设计时间窗内的测道，系统检查结果应满足设计工作

精度要求。

8地质预报成果

8.1一般规定

8.1.1隧道地质预报成果应遵循解释正确、定位准确、科学有据、结论明确、易于处置

的原则。

8.1.2隧道地质预报成果应包括下列内容：

（1）瞬变电磁法数据解释结果；

（2）隧道不良地质体的位置信息；

（3）异常点定位与钻探验证；

（4）隧道不良地质体成因分析及处置建议。

（5）地质预报报告编写。

8.2瞬变电磁法数据解释结果

瞬变电磁法数据解释结果信息应包括：

（1）异常类型、形状、里程及规模等；

（2）文字报告和成果图件。

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8.3不良地质体异常定位与钻探验证

8.3.1异常点定位应根据隧道里程信息标注，并采用辅助方法验证，优先选用钻探验证

法。

8.3.2不良地质异常定位点与钻探验证应符合以下规定。

（1）应对拟钻孔位置现场标注；

（2）钻探前，应查明掌子面稳定性、整体性及开挖支护等情况；

（3）钻探前，应及时对存在掌子面塌方等不稳定隐患进行评判并警示标志；

（4）钻孔成果应汇总到隧道地质预报综合结果图中；

（5）超前水平钻探应详细描述岩性、结构构造、钻进速度、含水情况、钻进扭矩等

参数，便于后期对资料分析。钻孔出水量大时，需测量出水压力，监测流量等，并详细记

录出水位置。

8.4隧道地质灾害成因分析及处置建议

8.4.1应根据隧道不良地质体的类型、规模、水量，结合隧道地勘资料，初步判断隧道

不良地质体的成因。

8.4.2隧道不良地质体处置建议应参考隧道不良地质体的类型、水量、等级、深度、范

围、位置等信息，并结合隧道开挖设计资料提出专项处置方案。

8.4.3根据隧道不良地质体类型，结合隧道开挖现场施工条件，应因地制宜选择开挖支

护方式。

8.5预报报告编写

8.5.1报告编写应根据任务书、设计书、设计批复意见及有关标准和要求进行。

8.5.2报告编写应在系统收集、分析、整理工作区所需工程地质、水文等有关资料的基

础上编写。

8.5.3探测报告应详细、完整反映探测过程，数据真实、内容完整、结构严谨、结论准

确；报告附图、附件目的明确、配置合理、美观整洁。

8.5.4探测报告应包括以下内容

（1）项目概况、瞬变电磁法探测的技术依据、目的和要求；

（2）探测区域概况、地质与地球物理特征；

（3）已有资料的收集和利用情况；

（4）技术方案及安全专项方案；

（5）工作方法及质量评价；

（6）资料处理方法及探测结果；

（7）成果钻探验证；

（8）隧道不良地质体初步成因分析；

（9）结论及处置建议；

（10）附图和附表。

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附录A（资料性附录）条文说明

A.1发射与接收线圈

由于接收线圈过渡过程对视电阻率的影响呈现出一定的规律性，可以通过合理的选择

接收线圈的有效面积、合理的设计其几何尺寸，使在此时分布参数作用下的电压畸变为最

小、信号的有效时间范围最为宽广。

A.1.1最佳有效发射磁矩的计算

小回线装置中，发射线圈的半径较小，为了能够探测较大的深度以及获得比较强的感

应信号，通常发射线圈的匝数绕制的比较多、发射机的供电电压比较大、发射电流也比较

大，以此来增加发射磁矩。圆形发射线圈的磁矩m可表示为：

UUSr

m=IS=0Nr2=00F

1FN2r/SFF2

FFF0F（A-1）

SUR

其中，F为发射线圈的有效面积，0为发射机外接电源的供电电压，F为发射线圈

NrS

的电阻，F为发射线圈的匝数，F为发射线圈的半径，0为导线的截面积，F为发射线

圈材料的电阻率。

从式（A-1）可以看出，增加有效磁矩的方法有：提高发射机供电电压，增加导线截

面积，采用电阻率较小的导线以及增加发射线圈的半径。实际中可采取电瓶串接的方式提

高供电电压以及导线并绕的方式来增加导线截面积等有效措施来增加发射磁矩。

A.1.2接收线圈分布参数的计算

（1）内阻的计算

R=l/S

接收线圈内阻根据电阻计算公式JJJ可方便算出。

l

其中，ρJ为接收线圈材料的电阻率，SJ为接收线圈导线的截面积，J为接收线圈导线

的总长度。

（2）电感的计算

接收线圈电感的计算公式为：

02'

L=NdJ

4（A-2）

'

式（A-2）中，N为接收线圈的匝数，dJ为接收线圈的直径，是随变量β变化而变化

的量（β=h/dJ，h为接收线圈的垂向高度）。

244124

'=2[(1+−+)ln−+++]

86423296（A-3）

（3）分布电容的计算

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接收线圈分布电容是指接收线圈两端的等效入口电容，与通常提及的电感线圈的匝间

电容、层间电容等有所区别。实际中绕制接收线圈时，总是想方设法减小分布电容C，例

如采用蜂房式绕法，累进式绕法以及交叉绕法等方法来达到此目的。

A.1.3发射回线边长和发射电流选择

探测深度与大地电阻率、发射磁矩（发射电流乘以回线面积）、环境噪声、仪器分辨

率等因素有关，发射回线边长的选择应根据具体任务、目标体与周围电性参数以及发送系

统性能等情况综合确定。原则上应考虑足够大的发送磁矩，以确保接收信噪比足够大。最

大探测深度（H）可参考公式（A-4）估算：

1/5

LI2

H=0.551

（A-4）

=RN

m（A-5）

式中：

H—最大探测深度，米（m）；

L—发射回线边长，米（m）；

I—发射电流，安培（A）；

1—上覆地层综合电阻率，欧姆.米（Ω.m）；

—最小可分辨率电压，一般为0.2~0.5纳伏/米2（nv/m2）；

Rm—最低限度的信噪比，一般应≥3；

N—噪音电平，纳伏/米2（nv/m2）。

发送电流强度的选择，应综合考虑发射机性能、回线电阻大小等因素，在条件允许的

情况下尽量增大发送电流强度。

A.2时窗范围确定

时窗范围取决于测区内所要探测的目标体的规模及电性参数的变化范围，地电断面的

类型、层参数、勘探深度等诸多因素，具体时窗范围应通过野外试验确定。

最长时窗可根据公式（A-6）估算：

H2

t=

784(t）（A-6）

式中：

t—断电后延时，毫秒（ms）；

H—最大勘探深度，米（m）；

(t）—延时t时刻视电阻率，欧姆.米（Ω.m）；

对于中心回线装置，上式中的视电阻率值可根据晚期公式（A-7）计算获得：

19

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2/3

2M

()t=00q

4t5()/tdBtdt

（A-7）

MIL=2（A-8）

式中：

()t—延时t时刻视电阻率，欧姆.米（Ω.m）；

=410−7

0—真空磁导率，0亨利/米（H/m）；

M—发射磁矩，安培.平方米（A.m2）；

q—接收线圈有效面积，平方米（m2）；

t—衰减时间，毫秒（ms）；

dBt(d)/t—磁场感应强度B关于时间的导数；

I—发射电流，安培（A）；

L—发射回线边长，米（m）。

选择合适的时间窗口和采样间隔，并根据数据采集中的干扰变化和图像效果及时调整

工作参数。

T0.6SH

（1）对于高阻或空气介质中的板状体而言，起始时间min0minmin；式中Smin、

Hmin为所要求的板体纵向电导、埋深。

T80/aT80/a

（2）对于高阻或空气介质中的球体而言minmax，minmax，

a1/a2

maxmin0min。式中σmin、αmin为所要求的球体电导率、半径。

（3）对于一维层状介质而言，求解目的层偏离围岩的起始时间为

T2107(H/)

minminmax，也可粗略求得对目的层可分辨的Smin值。

（4）建模“模拟”计算

TEM应用于隧道探测具有前提及前景，但能否有成效由综合因素决定，首先是目标体

具有一定导电性及规模，所能探测的深度范围主要决定于围岩电阻率及时窗。对于探测空

洞而言，它没有直接产生电磁感应的前提，其异常只可能是伴随具有导电性的围岩而生，

在具有一定条件下，有可能被“发现”。计算结果综述：

①探测高阻围岩条件下几米以内的裂隙、岩溶、溶蚀体，若其导电性较差，要求时窗

的Tmin≈0.nμs，Tmax≈100μs以内，除此之外，对设备还提出了区别于常规仪器相当

苛刻的技术要求。

②取Tmin≈nμs的情况下，其Tmax≈1000μs，已基本上可以满足需要。

③对于超浅层探测，Tmin仅是必要条件，取得好效果必然要求的充分条件是：设备抗

干扰和频带宽达标、Tof和一次场过渡过程的影响降到最低的程度，以及合理的工作装置。

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A.3数据采集

A.3.1瞬变电磁信号特点

在瞬变电磁探测时，接收线圈观测到的感应电压的时间特性为

12

v(t)e−nt/

i=1（A-9）

瞬变电磁场信号具有如下几个特点：

（1）信号的动态范围大，同一个观测点早期到晚期的信号幅值从n×105μV变到0.n

μV。

（2）信号的频带宽，信号频率从n～n×104Hz。

（3）信号衰减快，在早期，信号幅值高且衰减速度很快；而晚期的信号很弱，已达

微伏数量级，并且衰减速度慢得多。

瞬变电磁信号在早、中、晚期的衰减速度差别相当大，在很宽的时间范围内为了不失

真、准确地确定瞬变电磁信号的衰减特性，除了在足够宽的时间范围内必须有足够的取样

道外，各采样道之间的间隔及取样数据窗口宽度应随取样道不同而有所改变。在早期，信

号幅值高而且衰减速度快，因此取样时间的间隔及采样窗口的宽度都必须相当窄才能保证

足以精确地分辨信号的衰减特性；在晚期，取样间隔及窗宽应增大，以适应弱信号慢衰变

的特性。在浅层探测中要充分利用关断期间的信号，信号采集应从电流开始关断作为零时

刻点。

在测探工作中，时间范围决定于探测深度，对于同一个测点来说，早期到晚期的信号

的动态范围较大，幅值从几十伏到几微伏，异常的幅值除了与ρ值有关外，还与地质对象

的大小、埋深及观测点的位置等几何形状有关。

瞬变电磁法是一种宽频电磁系统，在理论上其频带宽度是无限的，但是由于观测仪器

的限制，一般能够进行观测的频带为几赫兹到数十千赫兹，而随着谐波次数的增高，电磁

能量衰减快，由于高频分量对浅层勘探更有利，所以采集系统的频带应该尽量的宽，然而

频带过宽会使系统的信噪比下降，所以采集系统应选择合适的频宽，并且提高仪器的观测

灵敏度和抗干扰能力或者增大发射功率并对数据进行滤波等方法，提高晚期观测数据的信

噪比。

A.3.2浅层探测信号的检测

由于发射线圈为非纯电阻性负载，发射电流的关断时间不为零，所以从电流开始关断

时刻起记录的响应，存在一次场和瞬变二次场，称为全程瞬变电磁场。

如果接收线圈的分布电容为零，线圈没有过渡过程，此时接收的全程瞬变磁场包括两

部分：电流关断期间形成的一次磁场、电流关断后的瞬变二次场。而实际上分布电容不为

零，线圈存在过渡过程，接收的全程瞬变信号发生了畸变，接收的是线圈上分布电容的电

位变化。

目前国内外地面使用的TEM数据采集方式多为稀疏采样（积分采样、端部或中值采

样），主要的技术缺陷为：

（1）数据量太小，无法采用先进的数字滤波技术，导致处理后的数据丢失了大量的

细节信息；

（2）单点数据覆盖的观测区域比较大，使得分辨率较小，从而导致对细节的记录不

全或误差较大。

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在早期，信号幅值强而且衰减快，所以要对信号密集采样，在晚期，信号弱而且衰减

缓慢，虽然密集采样对于数据量比较大，但浅层探测更加注重早期数据，晚期的时间不