高頻大地電磁法及瞬變電磁法在隧道勘察中的應用

湯井田， 李鵬博， 肖 曉

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083； 2.中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室, 長沙 410083)

高頻大地電磁法及瞬變電磁法在隧道勘察中的應用

湯井田1,2， 李鵬博1,2， 肖 曉1,2

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083； 2.中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室, 長沙 410083)

隧道前期地球物理勘察工作，主要是對路線附近的隱伏不良地質體發(fā)育情況以及其附近巖溶或采空區(qū)進行探測，高頻大地電磁法具有不受高阻屏蔽層、探測深度大以及效率高等特點，同時結合瞬變電磁法對低阻體反應靈敏等優(yōu)點，綜合運用這些物探的方法能夠有效地提高對目標區(qū)域的勘探問題的識別能力。探討了高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法(TEM)的工作原理及探測效果，并通過這兩種方法在福建某鐵路隧道勘察的應用，分析及總結了兩種方法在隧道勘查中應用的可行性及有效性。

高頻大地電磁法； 瞬變電磁法； 隧道勘查

0 引言

在鐵路建設中，隧道的修建極為常見且重要，而隧道所處位置一般位于地形復雜的山區(qū)。在鐵路及公路隧道挖掘過程中，常遇到充泥充水溶洞、采空區(qū)及其他不良地質體，這些不良地質體可能造成施工過程中的塌方等突發(fā)事件，是重大的安全隱患[1]。為了在隧道施工過程中減少坍塌等事故的發(fā)生，在隧道施工前需要查明附近地質體的信息，以利于采取必要的措施對不良地質體進行處理，保證施工安全和工程質量。在隧道前期地球物理勘查中常用方法有高密度電法，探測精度高，但探測深度淺[2]；淺層地震法容易受到地表層多次反射波的影響且受地形影響大[3]；地質雷達受地形的影響大且探測深度淺[4]；高頻大地電磁法(EH-4)具有對復雜地形適應性強，效率高，不受高阻層屏蔽，探測精度高等優(yōu)點[5-7]。瞬變電磁法具有純二次場觀測，對低阻體敏感，受地形影響小等優(yōu)點[8-10]。由于隧道勘察區(qū)域需要探測的深度較大以及周邊地形起伏等因素，筆者將高頻大地電磁法(EH-4)以及瞬變電磁法,應用到福建某隧道前期地球物理勘察中，兩種方法互相補充、相互驗證，以達到勘察隧道周邊區(qū)域地質情況的目的。

1 工作方法與技術

1.1 高頻大地電磁法(EH-4)

高頻大地電磁法(EH-4)原理是基于傳統(tǒng)的MT法，但其利用的頻率較高[11-13]，頻帶范圍為10 kHz～100 kHz。以天然場源為主要場源，一般情況下利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發(fā)場源(又稱一次場)，該場源是平面電磁波，垂直入射到大地介質中，由電磁場理論可知，大地介質中將會產生感應電磁場，它與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值。

(1)

由式(1)求得電阻率如式(2)、式(3)所描示。

(2)

(3)

式中：f是頻率(Hz)；ρ是電阻率(Ω·m)；E是電場強度(mV/km)；H是磁強度(nT)。

此時的E與H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。一般來說，頻率較高的數據反映淺部地層電性特征，頻率較低的數據反映較深地層電性特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可由視電阻率與相位分析介質的地電特征和構造。

1.2 瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods，TEM或TDEM)，其探測原理是利用不接地線圈 (或稱回線 )向地下發(fā)射一次瞬變磁場, 通常是在發(fā)射線圈上供一個電流方波，可在地下產生穩(wěn)定的磁場分布, 在方波下降后沿下降的瞬時產生一個向地下傳播的一次場, 在一次場的激勵下地下介質體將產生渦流, 其大小取決于地下介質的導電程度。該渦流不能立即消失, 它將有一個過渡過程產生的二次磁場向地表傳播, 在地表接收線圈把二次磁場的變化轉化為感應電壓的變化[14-15]。該二次場的變化由于是在沒有一次場背景下觀測的純二次場，因此可以直接、有效地反映地下地質體的電性分布情況。

2 數據采集與處理

2.1 高頻大地電磁法(EH-4)

本次探測采用的EH-4電導率成像系統(tǒng)，能觀測地表幾米至一千米內的地質斷面的電性變化信息。為了滿足探測深度的要求，采集頻率為10 Hz～99 KHz, 低頻段、中頻段、高頻段依次測量，中頻段與高、低頻兩個頻段存在頻率疊加。為保證數據質量，降低隨機噪聲干擾，采集過程選擇的疊加次數為10次。電極距設計為20 m，根據實際情況(地形、障礙物等因素)適當改變極距大小。磁棒距離前置放大器大于5 m，為了消除人文因素干擾將兩個磁棒埋在地下5 cm以下，盡量選擇遠離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。數據采集過程中通過各頻點相位，相關度的大小控制數據采集質量。

EH-4電導率成像系統(tǒng)野外采集的時間序列的數據進行預處理后，再現場進行FFT變換，獲得電場和磁場虛實分量和相位數據，對每一個測點進行編輯，舍掉畸變的頻點，保留高質量的頻點數據[16-17]。進行一維BOSTICK反演，將頻率轉換為深度。在一維反演的基礎上，進行二維帶地形反演，使用surfer軟件繪制電阻率等值線圖。

2.2 瞬變電磁法

本次隧道勘察中瞬變電磁法勘探使用加拿大鳳凰公司研制的V8多功能電法數據采集系統(tǒng)。綜合瞬變電磁法技術原理與探測要求，選擇大回線裝置，發(fā)射線框為200 m×200 m,接收框為10 m2磁線圈，發(fā)射頻率為5 Hz，發(fā)射電流為15 A～20 A。框內回線裝置存在邊框效應影響，為消除其影響，通過理論計算及實驗，最終確定接收起始位置為發(fā)射框邊長1/3，將有效抑制邊框效應影響。

將原始數據由瞬變電磁儀中存儲的數據格式，經過專用程序處理轉化為計算全區(qū)視電阻率可用的特定數據格式，并剔除干擾畸變點。根據實測電位衰減時間響應曲線,換算成視電阻率的時間曲線，一般可采用晚期場定義的視電阻率公式(5)計算。

(4)

(5)

其中：t為測道時間；M為發(fā)送磁矩；q為接收線圈的有效面積；V(t)為感應電壓；對視電阻率進行反演解釋(時深轉換)，將ρτ(t)曲線轉換成ρτ(h)曲線；ha表示視深度；ρ為電阻率值；t為記錄時間；μ0為磁導率,最后進行視電阻率斷面圖、視電阻率平面圖等圖件繪制。

3 隧道勘察實例

3.1 工程概況

探測區(qū)域位于福建省龍巖市新羅區(qū)楊梅坑煤礦區(qū)內，礦區(qū)處于龍巖山字型構造脊柱北段區(qū)段，同時受緯向構造帶及放射狀橫張斷裂影響，斷裂構造與褶皺構造發(fā)育，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，山間凹地兩側多形成裂隙密集帶，褶皺、斷層構造。受區(qū)域構造的影響，隧址區(qū)共發(fā)現斷裂構造8條、2處巖層接觸帶和4處侵入接觸帶，構造特征以擠壓破碎、蝕變破碎、裂隙帶為主。

根據已有資料了解到在此區(qū)域內存在煤礦采空區(qū)，若采空區(qū)沒有即時進行工程處理，其上覆巖層有時因為失去平衡而脫落，從而此區(qū)域巖層的連續(xù)性破壞，其電阻率值必然會產生相應地變化。采空區(qū)的異常表現各異，一般在采空區(qū)處電阻率會高于周圍完整巖石的電阻率；若采空區(qū)充水或填充泥質物質時，則表現為低阻；充填塊狀巖石時表現為高阻。

3.2 高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法解釋

數據解釋主要結合異常體在高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法中的特征表現與實際的地質資料進行分析，判別異常區(qū)主要是根據電阻率值變化及電阻率等值線的形態(tài)等綜合因素考慮。圖1和圖2分別為勘察區(qū)域內3號測線上的高頻大地電磁法(EH-4)視電阻率反演剖面圖和TEM視電阻率反演剖面圖。根據已知地質資料，該測線橫跨煤礦第三區(qū)塊內已知采空區(qū)。受采空區(qū)及煤系地層的影響，由圖1可知，測線斷面整體電阻率偏低；0 m至400 m間地表以下幾米至一百米以內存在相對高阻層，視電阻率在視電阻率在50 Ω·m～300 Ω·m；高阻層之下有明顯的電性梯度帶，電阻率從幾十歐姆米到幾歐姆米，推測該電性梯度帶為充水采空區(qū)的頂部界面，底部界面約在340 m～400 m。由圖2可以看出，該剖面中間標高440 m～560 m之間有個形態(tài)清晰、電性差異明顯的低阻異常，推測該低阻異常為富水的采空區(qū)的電性反映。

綜合高頻大地電磁法(EH-4)與瞬變電磁法的結果，兩者均觀測到地表附近電阻率較高，這與地表覆蓋電阻率較高的第四紀粉質黏土及碎石相一致。對于采空區(qū)均呈現低阻異常顯示，推測為煤礦采空區(qū)充水所致，兩種方法的結果對于頂、底界面的范圍總體一致，且與已知的采空區(qū)的資料相吻合，兩種方法相互補充，相互驗證，對采空區(qū)探測進行了準確地評價。

圖1 3號線高頻大地電磁法(EH-4)反演剖面圖Fig.1 No.3 survey line the inversion profile Figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

圖2 3號線瞬變電磁法反演剖面圖Fig.2 No.3 survey line the inversion profile figure of transient electromagnetic method

圖3 1號線高頻大地電磁法(EH-4)反演剖面圖Fig.3 No.1 survey line the inversion profile figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

圖3為1號線高頻大地電磁法(EH-4)視電阻率反演剖面圖，從圖3中可以看出，320 m附近存在明顯的電性差異，結合已知地質資料推斷該處為二疊系下統(tǒng)文筆山組(P1w)與童子巖組(P1t)的地層分界面，在電性上，右側童子巖組(P1t)整體表現為低阻特性，左側文筆山組(P1w)表現為相對高阻特性。在高程大于450 m的地層中，320 m～800 m區(qū)段整體視電阻率比較低，受煤層采空區(qū)的影響，局部呈現一個明顯的低阻區(qū)域，在這個低阻區(qū)域附近有煤礦開采的跡象，該低阻很有可能與其形成的富水采空區(qū)有關；0 m～300 m區(qū)段深部呈現高阻的特性，淺表受第四系覆蓋層及地表巖石風化影響，呈現低阻的特性。圖4為2號線高頻大地電磁法(EH-4)測深視電阻率剖面圖，從圖4中可以看出，360 m處附近存在明顯的電性差異，形成了高阻與低阻的分界面，結合此區(qū)域已知地質資料推斷此界面為二疊系下統(tǒng)文筆山組(P1w)與童子巖組(P1t)的地層分界面。0 m～360 m整體電阻率相對較高，推測巖石較為完整；360 m～800 m區(qū)段電阻率較低，主要是童子巖組以石英砂巖，局部夾煤層，其中500 m和720 m處存在兩個相對低阻，結合已知地質及煤礦開采資料綜合分析，推測為富水的采空區(qū)及巷道。

圖4 2號線高頻大地電磁法(EH-4)反演剖面圖Fig.4 No.2 survey line the inversion profile figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

4 結論

通過上述在福建某隧道應用煤礦采空區(qū)實驗，證明了高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法的前期勘察結果可靠，這兩種方法對于采空區(qū)探測的應用效果良好，探測的結果能夠很好反應出采空區(qū)的位置，并表明在采空區(qū)的位置呈現出低阻區(qū)，說明隧道區(qū)域的采空區(qū)存在充水現象。

隧道區(qū)域煤礦采空區(qū)的很多地方由于充水呈低阻反映，瞬變電磁法對低阻體反映靈敏，因此瞬變電磁法對于充水區(qū)采空區(qū)探測有獨特的優(yōu)勢；EH-4電導率成像系統(tǒng)效率高，效率相對其他勘探方法較高。兩種方法探測深度相對較大，在中深度采空區(qū)探測時二者可以相互結合，相互驗證，提高對采空區(qū)探測的準確性，減少采空區(qū)的危害。

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Applicationofhighfrequencyelectromagneticandtransientelectromagneticmethodinthetunnelexploration

TANG Jingtian1,2, LI Pengbo1,2, XIAO Xiao1,2

(1.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083， China;2.School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083， China)

In geophysical exploration for tunnel, the issue is mainly concentrated on bearing conditions of potential unfavorable geological body, karst and mined-out area near the tunnel line. High frequency electromagnetic are characterized by unshielded of high resistivity layers, large penetrating depth and high efficiency. Transient electromagnetic method has high resolution in low resistivity body. Integrated geophysical prospecting method can effectively improve the recognition ability of the target area. This paper introduces the principle and detection effects of high frequency electromagnetic(EH-4) and transient electromagnetic method(TEM). Based on the surveying results obtained with the two methods in a tunnel in Fujian province, the feasibility and validity of the two methods to prospecting tunnel is analyzed and summarized.

high frequency electromagnetic; transient electromagnetic method; tunnel exploration

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.04

2016-09-19 改回日期： 2016-11-09

國家高技術研究發(fā)展計劃(2014AA06A602)

湯井田(1965-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事電磁場理論和應用、地球物理信號處理及反演成像等研究，E-mail：jttang@csu.edu.cn。

李鵬博(1991-)，男，碩士，主要從事電磁信號處理，Email:csulpb@163.com。

1001-1749(2017)05-0605-07