可控源音頻大地電磁法在深埋長隧道勘查中的應用研究

2015-07-18 09:41:05張標東中鐵第五勘察設計院集團有限公司北京102600

中國新技術新產品 2015年12期

張標東（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京　102600）

張標東
（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

深埋長隧道地質情況復雜，為確保施工安全，避免重大塌方及突水事故的發生，須盡可能掌握實際地質情況。本文以我國西南地區某特長深埋隧道為例，探討利用可控源音頻大地電磁法在深埋長隧道中探測常見的破碎帶、軟弱巖體和含水地層的有效應用。結果表明，可控源音頻大地電磁法在深埋長隧道勘查中具有良好的應用效果。

可控源音頻大地電磁法；V8多功能電法；深埋長隧道

隨著國民經濟的大力發展，公路、鐵路建設的力度也在不斷提高，因此不可避免地會在地質結構復雜的地區進行深埋長大隧道的勘查。一般情況下深埋長隧道工程的地質情況具有復雜性、模糊性和不確定性，使隧道施工常常遇到各種地質災害，例如高壓涌水、高瓦斯突出、高地溫、巖石變形破碎等。地球物理勘探方法是通過儀器觀測地層的物理場變化，以查明地下的各種地質問題，具有成本低、效率高和透視性強等優點。可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種地形影響小、勘探深度大、分辨率高的物探方法，被廣泛應用于工程、礦產勘查和隧道勘察中。CSAMT對低阻感應非常靈敏，可以非常有效地劃分斷層破碎帶，固定地下水聚集區；同時CSAMT還能有效地避免高阻屏蔽效應，克服地震折射法和常規電測深法所不能探測到的深度。針對隧道中的斷層破碎帶，地下水聚集區等地質情況，CSAMT具有良好的應用效果。

1　CSAMT原理

1.1 CSAMT原理基礎。可控源音頻大地電磁法是基于電磁法理論和麥克斯韋方程組，在音頻大地電磁法和大地電磁法基礎上發展起來的一種人工源頻率域測深方法。研究大地電磁測深的關鍵理論就是研究地面電磁場與地下巖石的電阻率的相關性，電磁場理論的基礎就是麥克斯韋方程組。

（1）麥克斯韋方程組

（2）CSAMT法的卡尼亞視電阻率方程

式中：Ex為電場、Hy為磁場，ρs為視電阻率，f為頻率。

（3）趨膚深度公式

式中：D為探測深度，m；r為地表電阻率，Ω·m；f為頻率，Hz。

1.2 CSAMT采集處理方法

1.2.1 CSAMT特點。可控源音頻大地電磁法采用的是人工場源產生的一種頻率域電磁測深法，具有探測深度深、穿透能力強、能有效穿透高阻屏蔽層、信噪比高等特點。（1）可控源音頻大地電磁法具有豐富的頻譜，能有效地穿透高阻屏蔽層；（2）可控源音頻大地電磁法所測的各層電阻率是每一層的縱向電阻率，與橫向電阻率關系不大，即電場分布與地下介質各向異性關系不大；（3）可控源音頻大地電磁法探測深度大，根據趨膚深度公式可知，V8使用的頻率范圍在0.125～9600Hz，發送功率為30kVA，勘探深度范圍從幾十米至幾千米不等。

1.2.2 儀器設備。可控源音頻大地電磁法的設備主要是V8多功能電法儀，該設備由四大系統組成：發射系統、采集系統、定位系統和數據記錄處理系統。該儀器具有分辨率高、動態范圍廣、抗干擾能力強、數據傳輸方便等優點。與普通電法儀相比，加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電法儀具有以下優點：（1）保持了最高的動態范圍和分辨率，每道均為A/D轉換器，低頻MT弱信號采用24們。（2）有效地避免了50Hz的工業干擾，有利于在城市和礦區等人類活動頻繁的地區開展工作。（3）可以根據地質地電條件改變測量頻點，從而大大地提高了測量的勘探精度和垂向分辨率。（4）無線與有線通訊均可使用，有利于開展山區工作。

1.2.3 數據處理。可控源音頻大地電磁法數據處理首先是對原始數據進行編輯，然后是進行剔除非值、去噪、靜態校正及近場校正等處理，再進行反演成像。數據處理流程如圖1所示。

反演解釋主要包括以下幾種方法：二維Bostick變換、二維OCCAM反演、二維快速松弛RRI反常方法等。

2　應用實例

2.1 工區概況。我國西南地區某特長隧道長15000m，山間溝谷發育，地表第四第覆蓋厚，露頭基巖風化破碎嚴重，出露地層主要以三疊系、二疊系和石炭系為主，巖性以砂泥巖和石灰巖為主。根據工區的地球物理特征，巖體較破碎、軟弱或巖溶發育的電阻率低于1000Ω·m，完整的巖體電阻率基本大于2500Ω·m。基于以上地質和地球物理特征分析發現，完整巖體與破碎、軟弱或巖溶發育的巖體之間存在著電性差異，這為開展CSAMT法提供了前提條件。

2.2 工作方法。隧道勘探采用V8多功能電法儀，測區視電阻率為30Ω·m～10000Ω·m，測線測點點距20m，磁探頭方向與AB供電極垂直，收發距7km，工作頻率為10Hz～9000Hz，發射電流為4A～10A，測深點221個。

圖1　可控源音頻大地電磁法數據處理流程較圖

2.3 成果分析。隧道所解釋的不良地質體包括斷層、斷層破碎帶、軟弱帶、含水或富水巖體等，在CSAMT反演斷面圖中可以看出，不良地質體顯示為團塊狀或條帶狀低阻等特征。（1）斷層分析。如圖2所示，在測線429+500～429+950段視電阻率在75Ω·m～250Ω·m之間，整體電阻率比較低，洞射經過位置電阻率變化比較大，WT1 和WT2電阻率異常明顯，分析為巖性接觸部位，推斷在測線429+900段存在一個含水斷層。結合附近鉆探資料驗證，該處為斷層帶，巖性以灰巖構造、角礫巖為主，裂隙發育，巖體破碎。（2）軟弱、破碎帶分析。如圖3所示，該段洞身位置表現為低阻特征，電阻率變化強烈，等值線扭曲變形，推測洞身經過的地層為軟弱、破碎的含水巖體。（3）圍巖分級。根據該隧道的CSAMT法反演斷面圖，結合巖石力學試驗、鉆探、并結合工區內的地質、地形條件進行綜合分析，將隧道洞身進行圍巖分級，級別分別從III～IV級，分段顯示隧道洞身的圍巖級別有助于隧道施工過程中的提前預警。