大地電磁法與地質(zhì)鉆孔法在鐵路隧道勘察中的對(duì)比分析

王燦為　馮彥謙

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津　300251)

在鐵路隧道勘察中，長大隧道越來越多，并且多分布在植被茂密區(qū)、密林區(qū)，地質(zhì)鉆探很難到達(dá)，有限的地質(zhì)鉆孔對(duì)于整個(gè)隧道構(gòu)造、地下水富集程度，以及采空、巖溶等復(fù)雜的地質(zhì)情況難以摸清，必要的物探工作顯得尤為重要。大地電磁采集儀器具有輕便、低功耗、多模式作業(yè)的特點(diǎn)，是專門為復(fù)雜地質(zhì)、地形條件而研制的地球物理野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可為地質(zhì)鉆孔的布設(shè)提供指導(dǎo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后期地質(zhì)施工配合提供圍巖分級(jí)設(shè)計(jì)依據(jù)。

1　原理

人工源大地電磁法(GDP32)法是20世紀(jì)80年代末興起的一種地球物理新技術(shù)，它是針對(duì)解決大地電磁法場源的隨機(jī)性強(qiáng)和信號(hào)微弱而發(fā)展成的一種人工源頻率域電磁測深方法(CSAMT)。CSAMT通過分析地面或井中觀測到的，由人工可控制電磁波信號(hào)在地球介質(zhì)中激發(fā)的電磁波場數(shù)據(jù)，達(dá)到勘探地球內(nèi)部導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的目的，其工作頻率一般從零點(diǎn)幾赫茲到上萬赫茲，勘探深度可從地表至地下1 500 m左右。該方法使用功能強(qiáng)大的人工源信號(hào)源，與MT相比，更能壓制干擾，采集到高品質(zhì)數(shù)據(jù)。

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出的水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，I為供電電流強(qiáng)度；AB為供電偶極長度；r為場源到接收點(diǎn)之間的距離。

將(1)式沿x方向的電場(Ex)與(5)式沿y方向的磁場(Hy)相比，并經(jīng)過運(yùn)算，就可獲得地下視電阻率(ρs)公式

(7)

式中f代表頻率。由(7)式可見，只要在地面上能觀測到兩個(gè)正交的水平電磁場(Ex，Hy)，就可獲得地下的視電阻率ρs，有人也稱卡尼亞電阻率。

又根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出探測深度公式

(8)

式中H代表探測深度，ρ代表電阻率，f代表頻率。

從(8)式可見，當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r(shí)，電磁波的傳播深度(或探測深度)與頻率成反比。高頻時(shí)，探測深度淺，低頻時(shí)，探測深度深，可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達(dá)到頻率測深的目的。

2　工程實(shí)例分析

某隧道全長3 030 m，最大埋深約430 m。區(qū)內(nèi)存在大量特殊地質(zhì)問題，人文噪聲較強(qiáng)。測區(qū)植被發(fā)育，地形屬于低山、丘陵地貌，沿隧道線位部分地段起伏較大，地形陡峭，地表大多被粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、碎石類土、腐殖質(zhì)等第四系所覆蓋；根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料，該隧道巖性分別為白堊紀(jì)寨下組上段的凝灰?guī)r、侏羅系漳平組下段的粉砂巖夾頁巖、志留系花崗巖、白堊系沙縣組的鈣質(zhì)或泥質(zhì)粉砂巖，以及變粒巖等。

野外工作中沿線路中線布置測線，目的是查明隧道洞身范圍內(nèi)的巖性、構(gòu)造、地下水及其他不良地質(zhì)情況。使用從美國引進(jìn)的GDP32-Ⅱ多功能電法儀。在工作開始之前，對(duì)GDP32-Ⅱ接收機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，確認(rèn)采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；對(duì)發(fā)射機(jī)經(jīng)過多次嚴(yán)格測試，以保證其發(fā)射電流穩(wěn)定可靠。

根據(jù)隧道線路范圍，考慮到隧道較長，布置了2個(gè)發(fā)射源。發(fā)射源采用電偶極，每個(gè)源的收發(fā)距均大于6 500 m。在正式測量之前對(duì)每個(gè)源位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保采集信號(hào)的有效性。

野外工作中一個(gè)排列為7個(gè)電道，一個(gè)磁道，磁道布置在7個(gè)電道的中間位置。遇懸崖等特殊情況時(shí)減少電道。電場采集使用氯化鉛不極化電極，可以有效地降低極差，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。電極均加水和泥埋好，接地電阻小于2 kΩ。

發(fā)射頻率范圍為32～8 192 Hz，測點(diǎn)點(diǎn)距為25 m，供電偶極AB距為1.0 km，最大發(fā)射電流為9 A。經(jīng)試驗(yàn)，遠(yuǎn)區(qū)場數(shù)據(jù)從256 Hz開始，工完成有效測點(diǎn)412個(gè)，檢測點(diǎn)21個(gè)，占總工作量的5.1%。

由于隧道較長，我們選取CK100+000～+350段以及CK102+425～+725段大地電磁勘察成果進(jìn)行說明，CK100+000～+350段大地電磁勘察成果見圖1。從大地電磁成果可以看出，該段洞身(白線部分)電阻率以高阻為主，推斷洞身在志留系花崗巖地層中穿過，巖石較完整，局部裂隙發(fā)育，含水。隨后在CK100+270左12 m布設(shè)一鉆孔1，進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，鉆探分層見圖1，巖芯照片見圖2。

圖1　CK100+000～+350段大地電磁勘察成果及鉆探分層

圖2　CK100+270左12 m鉆孔巖芯照片

大地電磁勘察成果揭示：該孔位50 m以上呈現(xiàn)中阻值，50 m以后為高阻值，巖體完整。

鉆探揭示：50 m以下除少數(shù)段巖芯呈碎塊狀外，大多較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬。

大地電磁成果宏觀描述了巖體的完整性及富水情況，為鉆孔布設(shè)提供了指導(dǎo)。鉆探成果驗(yàn)證了大地電磁成果的可靠性，通過大地電磁成果和鉆探成果對(duì)比，兩者揭示的巖性情況較吻合。

CK102+425～+725段大地電磁勘察成果見圖3，在CK102+661.5 m左8 m里程段布設(shè)鉆孔2，鉆探分層見圖3。

大地電磁勘察成果揭示：該段170 m以上電阻率以低阻為主，推斷巖石破碎、含水，圍巖較差，在CK102+700以及CK102+475里程處電阻率較低，等值線橫向被連續(xù)切斷，存在較大規(guī)模的直立狀低阻體，形成明顯的電性分界，推斷存在斷層，記為F2、F3。170 m以下電阻率較高，推斷巖石較完整。

鉆探揭示：覆蓋層厚度為18.4 m，并且18.4～28.3 m為強(qiáng)風(fēng)化的變粒巖。28.3～169.7 m變粒巖綠

圖3　CK102+425～+725段大地電磁勘察成果及鉆探分層

簾石化較嚴(yán)重，巖質(zhì)軟，疏松多孔，巖石局部較完整；169.7～170.05 m為斷層泥，軟質(zhì)巖石，紫紅色，主要成分為透鏡狀變粒巖巖屑與片狀鐵泥質(zhì)，弱風(fēng)化，質(zhì)軟，易崩解，手可掰開、捏碎。170～245 m巖石為變粒巖，主要礦物為石英，長石，云母，綠泥石等，直徑0.1～0.5 mm，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊聲脆，小錘不易擊碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。

3　結(jié)論

170 m以下鉆探成果驗(yàn)證了大地電磁成果的準(zhǔn)確性。170 m以上大地電磁成果基本以低阻顯示，對(duì)巖石完整性只能進(jìn)行粗略刻畫，精度略差。169.7～170.05 m鉆探揭示為斷層泥，大地電磁成果由于受到靜態(tài)效應(yīng)等條件的影響，未能準(zhǔn)確給出，該資料應(yīng)進(jìn)行復(fù)解，重新劃定斷層F2的位置。

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