地空頻率域電磁探測方法在隧道勘探中的應用

徐毅，鄭國勝，朱琦，魏東旭，王貫國

地空頻率域電磁探測方法在隧道勘探中的應用

徐毅，鄭國勝，朱琦，魏東旭，王貫國

（山東省交通規(guī)劃設計院，山東 濟南 250031）

地空頻率域電磁探測方式是一種大深度、快速高效、高精度的探測方法，是地球物理勘探領域的一種重要勘探方法，廣泛應用于礦產(chǎn)資源勘查、巖土工程及水文水資源調(diào)查等領域。介紹了地空頻率域電磁探測方法的儀器設備及勘探原理，并以擬建宜畢高速坪上1號隧道與坪上2號隧道為工程背景，介紹了地空頻率域電磁探測技術在隧道地質(zhì)異常區(qū)域勘探方面的運用，結(jié)果表明地空頻率域電磁探測可以很好地識別高、低阻地質(zhì)異常區(qū)域，可以為隧道工程建設提供詳盡的基礎資料支撐。

地空；頻率域；電磁法；隧道勘探

1 引言

隧道可以有效縮短兩地之間的距離，在公路建設中占有十分重要的地位。在多山地區(qū)，隧道的上覆巖層厚度可以達到上百米甚至幾百米，在這種地區(qū)進行工程地質(zhì)勘察，不僅需要耗費巨大的人力物力，還會對人員的生命財產(chǎn)安全造成威脅。在此情況下，物理探測中的快速探查和大深度探測技術顯得尤為重要。地空電磁法又稱為半航空電磁法，是利用地面大功率人工電磁源作為激勵場源，通過空中采集磁場信號，實現(xiàn)對大地電性結(jié)構(gòu)的快速探查[1-3]。本方法的特點將地面與空中探測聯(lián)合，具有地面電磁法大功率發(fā)射和航空電磁法快速非接觸式采集的雙重優(yōu)點，可以對地表條件復雜的區(qū)域進行大深度范圍快速探測，這為崎嶇山地等地面難以進入?yún)^(qū)域的隧道勘察提供了一種經(jīng)濟有效的手段[4-6]。

宜賓至畢節(jié)高速公路在建設過程中需要穿越多座山體，建設多個隧道，因其山體較高、地質(zhì)條件復雜，造成工程地質(zhì)勘察困難。利用地空頻率域電磁探測方法對坪上1號隧道、坪上2號隧道兩條擬建隧道進行了地空頻率域電磁探測，為后期隧道建設提供基礎物探資料，為類似工況的隧道工程地質(zhì)勘察提供了借鑒[7-8]。

2 地空頻率域電磁探測原理

2.1 測量方法和儀器

地空頻率域電磁探測方法本質(zhì)上屬于人工場源頻率域測深，通過不同頻率的電磁信號探測不同深度的電性結(jié)構(gòu)，最終根據(jù)電性差異確定探測區(qū)域內(nèi)導水通道、煤礦采空區(qū)、大型斷層破碎帶等電性變化較大的地質(zhì)異常。該方法總體原理如圖1所示。

圖1 地空頻率域電磁探測方法示意圖

通過采用地面長導線源向空間輻射電磁場，通過無人機搭載接收線圈采集空中磁場，發(fā)射源與測區(qū)最小距離為2～3 km，最大可探測范圍3～10 km，具體受環(huán)境噪聲、發(fā)射功率和地質(zhì)情況等因素影響。通常導線長度為1～3 km，發(fā)射電流為20～50 A，采用偽隨機波發(fā)射，一次發(fā)射覆蓋多個頻點，針對目標區(qū)域可加密頻點，以提高縱向分辨率。飛行器采用電動六旋翼無人機，具有空性穩(wěn)定可靠，飛行航跡可按照航線精確設定。線圈傳感器吊載于無人機下方，與無人機中的采集裝置相連，采集并存儲測區(qū)上方垂直磁場，通常情況下線圈傳感器高度距地面30～50 m。通過野外記錄發(fā)射源位置信息、發(fā)射電流、空中傳感器位置、磁場等數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)成像，可獲得地下電阻率信息。該方法結(jié)合地面電磁法和航空電磁法的優(yōu)勢，具有發(fā)射功率大、探測效率高、分辨率高的優(yōu)勢，探測深度達800 m以上，特別適用于復雜地形條件下的深部探測。

2.2 磁場的分布形態(tài)及對異常體的識別能力

絕對異常（二次場）定義為存在異常體時磁場響應與均勻大地磁場響應的差值，可以用來確定磁場分量對異常的識別能力。對包含異常體的三維模型進行計算，可以分析不同磁場分量對異常的反應。地空電磁探測方法中，磁場分量對于低阻異常具有更好的識別能力。不同的磁場分量對異常反應的形態(tài)不同，幅值也不相同，X分量在幅值和相位方面對異常的反應較弱，Y分量在幅值方面反應相對明顯，但是在相位方面反應較弱，Z分量在幅值和相位方面對異常均能產(chǎn)生明顯的反應，因此在實際應用時，對于單分量采集，可以優(yōu)先考慮Z分量對目標體進行識別。

3 工程概況與探測成果分析

3.1 工程概況

擬建宜賓至畢節(jié)高速公路威信至鎮(zhèn)雄段，由于擬建隧道屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地形地貌起伏較大，設計采用隧道與橋梁連接的方式通過，區(qū)段內(nèi)共存在8條主要隧道，均屬中型隧道。本文主要選取的是位于威信縣三桃鄉(xiāng)新街村半河組的坪上隧道，隧道進出口與山間溝谷相連，切割深達100～150 m，線路經(jīng)過山頂最大標高約920 m，最小標高約725 m，相對高差約195 m。隧道進口處于近東西向的深切山坡地帶，地形較陡；出口處為一南北向深切河谷的西側(cè)山坡，地形較為陡峻。隧址區(qū)內(nèi)基巖為志留系下統(tǒng)韓家店組及龍馬溪組砂巖、灰?guī)r，進口段發(fā)育泥灰?guī)r；第四系土層較薄，多為含礫黏土，局部為碎石土。隧址區(qū)進出口段受地形及氣候影響，地表水系不發(fā)育，山間谷底僅有季節(jié)性溪流匯集；洞身地表水體不發(fā)育，多為溝谷中發(fā)育的季節(jié)性溪流，雨季多水，旱季少水甚至無水；地下水主要有第四系松散土層孔隙滯水、基巖風化裂隙水及巖溶水三種類型。

3.2 探測儀器與過程參數(shù)

探測的儀器設備主要包括發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)和飛行平臺三部分組成，如圖2所示。發(fā)射系統(tǒng)包含發(fā)電機、發(fā)射機、橋路、控制器和接地電極，最大功率可達1 500 V/67 A，發(fā)射頻率為1～10 240 Hz，可實現(xiàn)單頻方波、偽隨機方波、時間域波形輸出。接收系統(tǒng)采用24位AD，采樣率最高可達256 000 Hz。針對地空電磁探測1 000 m范圍內(nèi)深度探測目標，系統(tǒng)頻帶范圍0.1～10 kHz，動態(tài)范圍130 dB，系統(tǒng)分辨率10 pT，同步精度小于200 ns。飛行平臺采用六旋翼電動無人機，該平臺主體為鋁合金制結(jié)構(gòu)，共六個動力總成，旋翼采用碳纖維材料，額定載重為10 kg，額定飛行時間為20 min。飛行控制部分采用零度（ZEROTECH）雙子星控制器，基于該飛控平臺可實現(xiàn)飛行器手動懸停、自動懸停、航

線飛行、自主巡航等飛行任務。

（a）發(fā)射系統(tǒng)

（b）接收系統(tǒng)

（c）飛行平臺

3.3 探測范圍

利用地空頻率域電磁探測方法對宜畢高速的坪上1號隧道與坪上2號隧道進行了地空頻率域電磁探測。坪上1號隧道探測范圍為K7+450～K7+750；坪上2號隧道探測范圍K8+180～K8+810，圖3分別為2條隧道探測范圍示意圖。

3.4 探測成果與分析

坪上1號隧道（K7+450～K7+750）電阻率剖面成果如圖4所示。從圖4可以看出，坪上1號隧道（K7+450～K7+750）有兩處視電阻率異常區(qū)域，分別命名為PS1-A、PS1-B異常區(qū)，其中異常區(qū)域PS1-A位于測線110～170 m，距地表70～140 m，為低阻異常區(qū)；異常區(qū)域PS1-B位于測線30～110 m，距地表240～280 m，為高阻異常區(qū)。

坪上2號隧道（K8+180～K8+810）電阻率剖面成果如圖5所示。從圖5可以看出，坪上2號隧道（K8+180～K8+810）有六處視電阻率異常區(qū)域，分別命名為PS2-A～PS2-F異常區(qū)，其中異常區(qū)域PS2-A位于測線110～190 m，距地表70～120 m；異常區(qū)域PS2-B位于測線210～250 m，距地表70～120 m；異常區(qū)域PS2-C位于測線280～340 m，距地表80～110 m；異常區(qū)域PS2-D位于測線460～590 m，距地表70～140 m；異常區(qū)域PS2-E位于測線210～300 m，距地表230～280 m；異常區(qū)域PS2-F位于測線390～420 m，距地表250～280 m。其中PS2-A、PS2-B、PS2-C、PS2-D屬于低阻異常區(qū)域，PS2-E、PS2-F屬于高阻異常區(qū)域。

（a）坪上1號隧道

（b）坪上2號隧道

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圖3 坪上1、2號隧道探測范圍示意圖

圖4 坪上1號隧道（K7+450～K7+750）電阻率剖面圖

圖5 坪上2號隧道（K8+180～K8+810）電阻率剖面圖

4 結(jié)束語

地空頻率域電磁探測方法由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和飛行平臺三部分組成，具有探測深度大、快速高效、精度高的優(yōu)點，可以運用在復雜地形地貌條件下，是一種地球物理勘探中橫向克盲、縱向攻深的勘探方法。本文通過分析頻率域地空電磁探測方法的原理，介紹了其在擬建宜畢高速坪上1號隧道與坪上2號隧道地質(zhì)異常區(qū)域探測中的運用。通過對所接收數(shù)據(jù)的解譯分析，為坪上1號隧道圈定出1處高阻異常區(qū)域與1處低阻異常區(qū)域，為坪上2號隧道圈定出2處高阻異常區(qū)域與4處低阻異常區(qū)域。為坪上1號隧道與坪上2號隧道的后續(xù)工程施工提供了準確、可靠的基礎資料支撐，確保了隧道工程建設的安全、高效推進，同時也為類似隧道工程建設提供了一定的借鑒與參考。

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U452.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.066

2095－6835（2019）13－0150－03

徐毅（1988—），男，助理工程師，主要從事巖土工程、工程地質(zhì)勘查等相關工作。

〔編輯：張思楠〕