淺析瞬變電磁法在高速公路隧道的不良地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用

李建文

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

淺析瞬變電磁法在高速公路隧道的不良地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用

李建文1，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

運(yùn)用瞬變電磁方法在某高速公路勘察線路上進(jìn)行探測(cè)，以查明隧址區(qū)不良地質(zhì)發(fā)育情況為勘察單位提供隧道線位地質(zhì)的依據(jù)，。通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的詳盡分析，查出不良地質(zhì)存在的準(zhǔn)確位置，判讀結(jié)果與鉆探資料完全一致。

瞬變電磁法；隧道；不良地質(zhì)

1 工程概況

探測(cè)區(qū)位于隧址區(qū)中間地段，最大相對(duì)高差270 m左右，區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)黃土沖溝區(qū)、黃土梁峁區(qū)、巖溶中低山區(qū)等地貌單元，地層巖性簡(jiǎn)述如下：

出露地層由新到老為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)馬蘭組和峙峪組、中更新統(tǒng)離石組，上第三系靜樂組、保德組，石炭系中統(tǒng)本溪組，奧陶系中統(tǒng)峰峰組，上馬家溝組。探測(cè)隧址區(qū)主要主要出露上奧陶系上馬家溝組中段和上段地層。中段以一層深灰色角礫狀灰?guī)r為底界，為一套灰-深灰色厚層狀豹皮狀灰?guī)r夾深灰色中厚層狀石灰?guī)r的巖性組合。上段以一層厚約0.3m的淺灰黃色鈣質(zhì)頁巖為底界，為一套淺灰色中厚、厚層狀豹皮狀灰?guī)r、灰-灰黃色薄-中厚層狀泥質(zhì)白云巖、淺灰色厚層狀石灰?guī)r及灰色中厚層狀含白云質(zhì)灰?guī)r的比較復(fù)雜的巖性組合。

2 工作原理及方法技術(shù)

2.1 瞬變電磁法工作原理及方法技術(shù)

2.1.1 瞬變電磁法的原理及其特點(diǎn)［1］

瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁法，利用了電磁感應(yīng)的原理，以脈沖電流的形式向地面鋪設(shè)的發(fā)送回線供電。當(dāng)發(fā)送回線中通以穩(wěn)定電流時(shí)，在感應(yīng)地質(zhì)體中產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)；在電流關(guān)斷的瞬間，一次磁場(chǎng)突然消失，感應(yīng)地質(zhì)體內(nèi)部由于磁通量的變化而感生出渦旋電流，并進(jìn)一步產(chǎn)生了與一次磁場(chǎng)方向相反的二次感應(yīng)磁場(chǎng)。這樣的過程交替循環(huán)，形成了向下傳播的能量逐漸衰減的電磁場(chǎng)，由此形成的場(chǎng)稱為瞬變電磁場(chǎng)。在瞬變電磁場(chǎng)衰變期間，二次場(chǎng)隨時(shí)間的延遲而不斷減弱；渦流隨時(shí)間的推移漸漸向深部擴(kuò)散，同時(shí)向外擴(kuò)散的距離不斷增大。瞬變場(chǎng)的延遲時(shí)間特性與地下地質(zhì)體的幾何參數(shù)及電性參數(shù)有關(guān)。良導(dǎo)地質(zhì)體的規(guī)模越大、導(dǎo)電性越好，瞬變場(chǎng)的強(qiáng)度就越大、衰減越慢、延遲時(shí)間就越長(zhǎng)；反之則瞬變場(chǎng)的強(qiáng)度小、衰減快、延遲時(shí)間短。根據(jù)理論公式可知，發(fā)射回線中心磁場(chǎng)的大小與地層的電阻率之間存在一定的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過觀測(cè)隨時(shí)間衰變的磁場(chǎng)便可以測(cè)出電阻率隨深度的變化。

瞬變電磁法能夠探測(cè)出隱伏的斷層及破碎帶，具有在山區(qū)工作受地形影響小，勘探深度大，分辨率高等特點(diǎn)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理方法

瞬變電磁法資料處理由野外工作和室內(nèi)工作兩部分組成。野外工作完成數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)初步處理和初步解釋等項(xiàng)任務(wù)；室內(nèi)工作完成數(shù)據(jù)的綜合處理、成圖成像和人機(jī)交互解釋等項(xiàng)任務(wù)。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理是對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去偽存真、誤差矯正、均滑處理、趨勢(shì)分析和成圖成像所做的加工處理工作，目的在于提高勘測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度，使之更趨于實(shí)際。

2.2 測(cè)線的布置及工作參數(shù)的選擇

2.2.1 儀器裝置及參數(shù)選擇

采用15m×30m和5m×10m“∞”字形兩種線框裝置，發(fā)收線圈都為4匝。該裝置抗干擾能力強(qiáng)，工作效率高，探測(cè)深度約為200m～300m。技術(shù)參數(shù)的選擇:

1）15 m×30 m：發(fā)射周期 T=40 ms（1～21取樣道），下降沿 Dn＝200μs，延遲時(shí)間 De=450μs，采樣時(shí)窗范圍0.25 ms～34.103 ms，疊加次數(shù)St=256次，供電電流7A～8A左右。

2）5 m×10 m：發(fā)射周期 T=20 ms（1～17取樣道），下降沿 Dn＝150μs，延遲時(shí)間 De=300μs，采樣時(shí)窗范圍0.15 ms～15.8983 ms，疊加次數(shù)St=256次，供電電流7A～8A左右。

2.2.2 測(cè)線布置

隧道硐身：沿隧道硐身軸線布置2條測(cè)線；隧道進(jìn)硐口及出硐口：測(cè)線布置為沿進(jìn)硐口和出硐口布置測(cè)線3或4條；隧道淺埋區(qū)域：布置3條垂直隧道軸線的橫測(cè)線。見圖1。

圖1 隧道物探勘察測(cè)線布置圖

3 地球物理?xiàng)l件及物探成果解釋

根據(jù)瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理得出的擬斷面圖，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，輔以附近的鉆孔資料可知，表覆土由于結(jié)構(gòu)松散、含水量變化較大，其視電阻率在水平方向有很大的變化，從幾至幾十Ωm不等。基巖出露地區(qū)，表層電阻率呈現(xiàn)中高阻。完整白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r視電阻率呈現(xiàn)相對(duì)高阻。泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)石灰?guī)r呈現(xiàn)相對(duì)較高阻。構(gòu)造破碎帶因其含水量不一，其視電阻率也不一，視破碎帶含水量多少而定，但都顯示為相對(duì)較低電阻率。因高風(fēng)化巖石層含有一定量裂隙水，與其上覆粘土和粉質(zhì)粘土電阻率相近，都表現(xiàn)為相對(duì)低阻［2］；尤其是高風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r呈現(xiàn)出與上覆土層相近電阻率。全—強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和中風(fēng)化灰?guī)r相比視電阻率呈現(xiàn)低阻，存在較大視電阻率差異，可以藉以分清全—強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化基巖分界面。不同巖性和構(gòu)造的電阻率存在差異，是這次探測(cè)的地球物理前提。

根據(jù)以上綜合分析解釋，隧道進(jìn)、出硐口和硐身各段強(qiáng)風(fēng)化層厚度及構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶描述如下：

1）隧道進(jìn)硐口：電阻率剖面土中，8 m～12 m左右處存在低阻帶狀分布，為地表潛水帶表象。在深30 m和70 m，存在的低阻圈閉，表面存在局部滯水區(qū)隧道圍巖呈松軟結(jié)構(gòu)，隧道埋深在潛水面以下。

2）第Ⅱ段約為1.1km：該段隧道埋深以下，存在A1、B1中高阻異常區(qū)，異常區(qū)內(nèi)有低阻間斷。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查與鉆孔資料，推斷為上新統(tǒng)殘積物紅粘土薄層，上覆于上新統(tǒng)保德組鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖及粉砂巖互層之上。上新殘積物紅粘土為隔水層，下覆礫巖呈現(xiàn)中高阻。此段隧道圍巖以第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)馬蘭組黃土為主；離石組黃土以棕黃色粉質(zhì)粘土為主，局部夾薄層鈣質(zhì)結(jié)核層及礫卵石透鏡體，局部礫卵石透鏡體膠結(jié)成礫巖。

3）第Ⅲ段約為0.7km：該段隧道通過范圍，強(qiáng)分化層與中風(fēng)化層視電阻率分界面不明顯，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查與鉆孔資料推斷：此段基巖含泥質(zhì)，強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r都表現(xiàn)相對(duì)較低視電阻率區(qū)域；隧道圍巖以全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化奧陶系下馬家溝組二段灰?guī)r以及灰?guī)r與土交接面上破碎混合類角礫土組成，強(qiáng)風(fēng)化層厚度在100m左右。在強(qiáng)風(fēng)化帶下為中風(fēng)化基巖，其為奧陶系下馬家溝組二段灰?guī)r以中厚層狀灰?guī)r、厚層狀含泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾數(shù)層泥灰?guī)r組成。

4）第Ⅳ段約為2.6km：該段為隧道硐身，此段強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層電阻率差異明顯，強(qiáng)風(fēng)化層推測(cè)為50m～100m。此段范圍存在多處低阻異常，推斷為隱伏斷層或破碎帶。第Ⅳ段起點(diǎn)80m處，左右電阻率差異很大，推斷為小斷層F1或灰?guī)r與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r接觸帶造成。在隧道左硐9處，隧道右硐5處，存在低阻異常，為隱伏斷層或小破碎帶表象。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料與鉆孔資料推斷：隧道圍巖以隧道圍巖以中等強(qiáng)度奧陶系下馬家溝組二段灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，奧陶系下馬家溝組二段灰?guī)r以中厚層狀灰?guī)r、厚層狀含泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾數(shù)層泥灰?guī)r組成，多出隱伏小斷層破碎帶或裂隙發(fā)育密集帶存在。水文地質(zhì)類型為巖溶裂隙水與斷層裂隙水。

圖2 物探勘查解釋成果圖

圖3 物探勘查電阻率斷面圖

5）第Ⅴ段約為1.1 km：該段此段強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層電阻率差異明顯，推測(cè)強(qiáng)風(fēng)化層為50 m～100m，硐口段圍巖風(fēng)化及溶蝕嚴(yán)重，巖體破碎。基巖電阻率呈相對(duì)較高與較低電阻率帶狀間隔分布，推斷存在小隱伏斷層破碎帶或裂隙密集帶。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料與鉆孔資料推斷：隧道圍巖以全—強(qiáng)風(fēng)化奧陶系下馬家溝組二段灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，奧陶系下馬家溝組二段灰?guī)r以中厚層狀灰?guī)r、厚層狀含泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾數(shù)層泥灰?guī)r組成；多出小斷層破碎帶及裂隙發(fā)育密集帶存在；水文地質(zhì)類型為巖溶裂隙水及斷層水。

物探勘查解釋成果圖，見圖2。物探勘查電阻率斷面圖，見圖3。

4 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及建議［3］

1）隧址區(qū)地形地貌條件比較復(fù)雜，存在黃土沖溝區(qū)、黃土梁峁區(qū)、河谷區(qū)、巖溶中低山區(qū)四個(gè)地貌區(qū)域，地形起伏局部較大，植被較發(fā)育；經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較為破碎，工程地質(zhì)條件屬復(fù)雜類型。

2）在整個(gè)隧址區(qū)，出硐口以及構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶處，巖層破碎，巖體溶蝕發(fā)育，其隧道圍巖類別為Ⅱ類，在隧道開挖過程中圍巖極易坍塌。

3）區(qū)內(nèi)推測(cè)的構(gòu)造破碎帶瞬變電測(cè)資料，后經(jīng)鉆孔勘察驗(yàn)證核實(shí)，與解釋結(jié)果吻合。

［1］樸化榮.電磁測(cè)深法原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1990.

［2］吳璐蘋，石昆法，李蔭槐，李松浩.可控源音頻大地電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用研究[J].地球物理學(xué)報(bào).1996，05.

［3］張樹軍.隧道施工常見不良地質(zhì)及處理方法［J］.山西交通科技，2005（3）：70-72.

Application of Transient Electromagnetic Method(TEM)in Poor Geological Zone Detection in Expressway Tunnels

LI Jian-wen1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Shanxi Province Research Institute of Communication,Taiyuan Shanxi030006)

Transient electromagnetic method (TEM)is used in line survey of one expressway to ascertain the poor geological development situation of tunnel zones,which can provide geological information there.By thorough analysis on the data,the accurate position of poor geologic zone is determined,which is in accordance with the real drilling information.

transient electromagnetic method(TEM);tunnel;poor geology

P631.3+25

A

1672-5050（2011）03-0069-03

2010-12-07

李建文（1977—），男，寧夏平羅人，在讀工程碩士研究生，工程師，主要從事高速公路隧道病害處治研究工作。

劉新光