聲頻大地電磁法在復雜地質構造隧道中的應用及研究

劉東東

(中交四公局投資事業部 北京 100022)

我國的高速公路事業處于快速發展階段，隧道建設的安全問題成為了重中之重，由于隧道沿線要穿越如斷層、節理裂隙帶等復雜的地質構造區域，在施工時經常遇到塌方、突水突泥等地質災害。受工程和水文地質條件復雜的影響，地質勘察的成果往往與實際開挖結果相差較大，難免會有部分地質問題在勘察時遺漏，在復雜的地質構造區域中，如何提高地質勘察的精度，保證隧道順利施工是值得深思的[2]。

一、音頻大地電磁法（AMT）基本原理

大地電磁法勘探本質上是通過測量大自然的大地電場和磁場強度來研究地下地質構造的方法。傳統的大地電磁（Magnetotellurics Method，簡稱MT）法勘探多指頻率為0.001～10000HZ的低頻勘探，常用于數千米至數萬米的深部地質構造探測研究。工程勘察的主要目的在于分析數千米以內的地質情況，本文所采用的音頻大地電磁勘探，頻率通常在1～10000Hz范圍以內，因該頻段大體在音頻范圍內，故也稱之為音頻大地電磁法（Audio Magnetotelluric Method，簡稱AMT）勘探。雖然MT探測的深度更深，但AMT在采集地下1km以內的信號時，抗干擾能力更強，數據更可靠，足以滿足隧道勘察的需要[3]。

音頻大地電磁法（AMT）是以卡尼亞大地電磁理論為依據，其基本理論模型是：假設場源位于高空，地下介質在水平方向是均勻的，地電磁場為平面電磁波；定義電磁波在地下介質傳播中時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度定義為穿透深度或趨膚深度δ，其表達式為：

式中：ρ為大地背景電阻率（Ω·m）；

f為頻率（Hz）。

由式（1）可知，趨膚深度δ將隨電阻率ρ和頻率f變化，趨膚深度δ隨著探測頻率f的增大而減小，隨著大地背景電阻率的增大而增大。即：當采集高頻信號時，實際得到的是淺層電阻率信息，采集低頻信號時，得到的是深部電阻率信息。研究對應深度的電阻率在相對應的頻帶上進行的，便可達到探測的目的。根據公式計算出相應的視電阻率和相位，從而進一步確定地質構造。

二、探測設備及現場測線布置

本次探測所采用的儀器設備是EH4連續電導率剖面儀，該儀器于上世紀九十年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯合推出。儀器主要由發射裝置和接收裝置兩部分組成（見圖1）。發射裝置包括發射機、發射天線、控制器、12V蓄電池。接收裝置包括主機、前置轉換器（AFE）、傳輸電纜、接地電纜、不銹鋼電極、磁探頭、12V蓄電池。

在開展工作的前一天需進行平行試驗，從而檢測儀器是否正常。其方法為：將兩個磁棒平行放在地面上，且相隔2～3m，兩個電偶極子也要保持平行。觀測電場、磁場通道的時間序列信號情況。

電極的布置技術：工作時需要使用到四個電極，即兩個電偶極子，每兩個電極組成一個電偶極子，其長度等于點距，（便于對比監視電場信號），與測線方向一致的電偶極子稱為X方向-Dipole；與測線方向垂直的電偶極子稱為Y方向-Dipole。由森林羅盤儀確定方向，誤差小于0.5°，保證Y方向-Dipole電偶極子的方向與X方向-Dipole的相互垂直；電偶極子的長度由測繩測量，誤差應小于0.5m。

磁棒布置技術：前置放大器與磁棒的距離應大于5m，兩個磁棒埋入地下的深度應不小于5cm，從而消除人為干擾，使用地質羅盤確定方向使其相互垂直，誤差控制應不大于2°，且兩個磁棒應保持水平。所有人員要遠離磁棒至少10m，磁棒布置盡量選擇遠離電纜、大樹、房屋的地方。

AFE（前置放大器）布置技術：前置放大器應放置在測量點上，即兩個電偶極子的中心處，前置放大器應首先接地，避免其受到大電流的損傷，且其遠離磁棒至少10m。

主機布置技術：主機應放置在遠離AFE（前置放大器）20m以上的平臺上，且AFE和磁棒也應該在主機操作員視野內。

三、數據處理與成圖

H4連續電導率剖面儀的數據處理與成圖主要是通過IMAGEM和綜合處理軟件進行。其主要步驟有以下幾點：

1.對獲得的電場和磁場虛實分量和相位數據進行初步處理，使用IMAGEM軟件對數據進行編輯，對明顯的異常點進行刪除，從而提高數據的質量。

2.對數據進行靜校正、生成表層電阻率、編輯剖面電阻率及剖面處理。

3.對數據進行空間和頻率插值，對剖面進行均勻插值，對頻率按照對數規律進行插值。

4.形成后續處理文件和預反演成像參數文件。

5.通過多次迭代正演和反演，得到二維正演數據和反演結果，若反演結果與已知地質特征和其正演數據剖面圖與原始數據斷面圖基本吻合，則正反演計算結束。

四、推斷解釋成果

K7+995～K8+064：視電阻率值在300-500Ω·m，推測為強-中風化灰巖，節理較發育，巖石較破碎至較完整，局部發育巖溶裂隙帶，圍巖自穩性較差。

K8+064～K8+195：視電阻率值在150-300Ω·m，為灰巖與泥巖交界構造帶，為典型巖溶發育區。圖像反映，區域內發育巖溶漏斗，其軸線產狀傾向隧道進口方向，傾角約75°，區段內064-095區段圍巖為強風化灰巖，095-195為泥巖與灰巖混雜而成的充填物。圍巖中含地下水，自穩性很差。開挖易引發塌方、坍塌事故。

K8+195～K8+315：視電阻率值在150-180Ω·m，推測為中風化泥巖，巖石較完整，但較軟弱，巖體自穩性尚可，局部節理裂隙發育處自穩性差。該區段是電阻率值穩定，未見大規模構造帶發育。

五、結束語

通過此次音頻大地電磁探測（AMT）在隧道位置及周邊探測應用表明：

1.在地形條件惡劣，無法布置長測線且要求勘探深度較深的地區，EH-4音頻大地電磁測深系統憑借其設備輕便、速度快、勘探精度高等優點。其在復雜地形地質條件下的良好的應用效果已經得到驗證。

2.在一定地質環境下，音頻大地電磁測深方法能夠較為理想地完成查明隧道位置及周邊可能存在的巖溶構造的勘查任務，為地質調查提供可靠的信息，避免地質災害的發生，保障工程安全順利的施工。

3.結合已有區域的地質資料，更合理地布置物探測線，將目標異常體控制在幾條測線的探測范圍之內，通過各條測線的比對，可以更好地查明巖溶構造的具體信息。