EH4測量系統在公路隧道地質勘察中的應用

陳永飛 李 振

（江西省地質局有色地質大隊，江西 贛州 341000）

0 引言

隨著交通工程建設的增多，隧道建設工程出現突水突泥塌方事故，造成重大安全事故，產生巨大的經濟損失；朱捷等人[1]對隧道坍塌的主要因素進行了歸類，分為地質條件、設計因素、施工因素三大類，各影響因素的統計概率分別為57.8%、10.9%、31.3%，其中設計因素及施工因素也跟地質條件的不明有關。軟巖、巖溶發育、斷層破碎帶等不良地質體及地下水發育是這些事故發生的重要原因。隧道周圍不良地質體分布情況對隧道的設計路由方案的比選有重要的參考意義。

EH4連續電導率剖面儀具有探測深度大、分辨率高、設備輕便、探測效率高等特點，并能實時顯示時間序列、功率譜圖像，有利于專業人士在野外現場快速進行數據質量的判斷，一般情況下，完成一個1000m深度的電磁測深點，只需要15min。楊春利等人[2]使用EH4用于探測煤礦區中的采空區和富水區，曾玉嬌等[3]使用EH4用于探測鉛鋅礦礦體，李維群等[4]采用EH4用于探測堤壩滲漏，均取得了很好的效果。該文通過EH4進行對隧道沿線地質情況進行AMT測量，為隧道設計路由選擇提供基礎數據及資料。

1 方法原理

大地電磁測深（MT）與電測深原理不同，它是把天然交變電磁場作為場源，交變電磁場由于有電磁感應作用，當電磁波在地下介質中傳播時，地面電磁場的測量值將包括地下介質電阻率分布信息[5]。根據電磁波傳播理論、亥姆霍茲方程推導可得視電阻率ρ如公式（1）所示。

式中：ρ的單位是Ω·m；E為電場強度，mV/km；H為磁場強度，nT。

電磁場在地下介質中傳播時，電磁場的振幅將隨深度而減小，當衰減到初始值1/e時，此時電磁波傳播的距離為趨膚深度δ（單位m），如公式（2）所示。

趨膚深度δ與頻率的平方根成反比，與地下介質的電阻率的平方根成正比。由公式（2）不難看出，當介質的電阻率一定時，工作頻率越高，探測深度越小，工作頻率越低，探測深度越大，所以在一個頻帶上從高頻到低頻測量不同頻點上的電場和磁場，即可計算出電阻率和相位沿深度的變化規律，從而判定該點一定體積范圍內地下介質結構情況，這就是大地電磁測深（MT）的基本原理，AMT使用的頻段為音頻頻段。本次AMT測量采用的儀器為EH4連續電導率剖面儀。測量頻段為10Hz～100kHz，其探測深度大致在10m～800m。

2 勘查區概況

南雅隧道位于浙江省溫州市鹿城區藤橋鎮，隧道起于K16+300，止于K18+400，全長2100m，最大埋深380m；勘查區內植被茂密，浮土覆蓋后，地表露頭少，區內出露的地層主要有第四系、侏羅系凝灰巖及流紋斑巖；區域構造主要有兩條大斷裂，一是溫州—鎮海大斷裂，走向25°，由一系列北北東向及北東向斷裂組成寬達1km～10km的斷裂帶；二是淳安—溫州大斷裂，走向310°～320°，斷裂中有石英脈、花崗斑巖脈充填。第四系電阻率值范圍n～n×102Ω·m；侏羅系凝灰巖及流紋斑巖電阻率值范圍n×103～n×105Ω·m；斷裂構造巖石破碎裂隙發育，多被水或泥質物質充填，通常反應為明顯的低阻異常。

為查明隧道巖性分界線位置、斷層破碎帶寬度及產狀、節理密集帶寬度，圍巖完整程度及裂隙的發育情況，為隧道施工提供依據。隧道右線布設測線，并在K16+980、K17+700、K18+180位置布設了三條垂直于隧道的橫向測線，長度分布為1575m、1175m、800m。

3 數據采集與處理

3.1 數據采集

大地電磁測深的理論基礎之一是將垂直入射大地的電磁波（平面波）作為場源，一般說來，信號可以分為近區信號與遠區信號，如高壓線、電網等都屬于典型的近場源，而雷電則屬于遠區信號，遠區信號有助于對EH4的數據采集，而近場源電磁波不符合平面波模式，則形成干擾。實際采集中應注意干擾的影響。儀器在開展正式工作之前應檢測儀器是否工作正常，采用平行試驗方法檢驗，兩個磁棒相隔距離應大于5m，挖坑平行埋入土中（不受風、震動等影響），兩個電偶極子方向也平行布設，磁棒方向與電偶極子方向相互垂直。布設完成后采集低頻和高頻電磁信號，采集過程中觀察電場和磁場通道的時間序列信號波形圖，兩個電場通道之間和兩個磁場通道之間的波形和強度應基本一致，測量結束后顯示出來的視電阻率、相位、相干度、真電阻率圖形應基本重合，此時才能說明儀器工作正常。

測線方向為X方向，Y方向垂直于測線方向，EH4測量系統野外布置電極布設采用“十”字形，地形無法滿足時采用“L”或“T”型，兩個電偶極子方向必須保證垂直，磁棒方向與對應電偶極子方向布設一致并水平埋入土中。小電極距可以提高分辨率，但不是越小越好，電極距太小信噪比太低且易受干擾，本次電極距為25m；測點采用RTK放樣，X、Y方向用地質羅盤定向，誤差小于2°；電偶極子長度用測繩測量，誤差小于0.5m。

野外采集數據的質量是室內解譯的基礎，如果數據質量不高，再好的處理技術均無法發揮出作用。EH4連續電導率剖面儀對環境要求較高，風動、電力、噪聲會對其產生影響，野外作業應實時觀測時間序列、功率譜圖像，如有異常應及時排除；每個測點測量完成后檢查視電阻率、相位、想干度、視電阻率測深曲線，跳點和異常頻點太多應重新測量。

3.2 數據處理

資料處理應按照由已知到未知、由定性到定量的原則。充分收集測區已有地質成果，在了解研究區基本地質規律的基礎上來指導音頻大地電磁測深勘察的成果。同時，對區內測點測深曲線進行分析，建立地質模型，對測區構造特征建立整體認識。在定性認識的基礎上進行定量化的解釋。

數據檢查無誤后用IMAGEM軟件進行編輯，刪除跳點和異常頻點，然后導出DAT格式數據使用SURFER成圖。這里特別注意的是圓滑系數的選擇，如果取值過大，那么數據擬合度太小、模型較平滑，會濾掉某些地質信息；取值過小會導致數據擬合度太高，模型較粗糙，有可能引入假的地質信息。實際應用是使用不同圓滑系數成圖，與地質資料進行對比，本次數據處理過程中最終采用的圓滑系數為0.3，反演電阻率斷面圖分層明顯，能反映本區的地質結構。IMAGEM軟件導出的成圖數據，并不包括地形數據，所以應加入地形數據進行地形改正，再使用SURFER成圖。

4 資料解譯

4.1 解譯標志

測區出露的地層主要為凝灰巖和流紋巖等火成巖，完整層狀地層電阻率較高，當有斷裂構造的存在時，地層的連續性遭受破壞，巖石破碎且多被水或泥質物質充填，造成電阻率的降低，電磁場的連續穩定性被破壞，使電位場發生畸變，通常反應為明顯的低阻異常。本次資料解釋推斷將根據上述原則進行。

斷裂構造推斷標志如下：1）在視電阻率斷面圖上，定向延深的低阻帶或等值線梯級帶，是地質體在垂直斷層走向上劇烈變化的地帶，為斷層的反應；2）在電阻率斷面等值線圖上，等值線呈“U”字型或“V”字型低阻區，是地質體遭受作用力破碎、泥質充填或沖水地帶，為斷層的反應；3）在電阻率斷面圖上，等值線同步扭曲、線性異常被錯斷、轉折是平推斷層的反映。

4.2 解譯結果

4.2.1 南雅隧道

以南雅隧道存在4處斷裂，如圖2所示：1）地表里程K16+850附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F1的電性特征反映，推測該斷層產狀較陡，受該斷層影響，推測K16+800～K16+900段圍巖相對較破碎；2）地表里程K17+250附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F2的電性特征反映，推測該斷層產狀較陡，受該斷層影響，推測K17+200～K17+275段圍巖相對較破碎；3）地表里程K17+475附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F3的電性特征反映，推測該斷層傾向大里程方向，受該斷層影響，推測K17+450～K17+525段圍巖相對較破碎；4）地表里程K17+975附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F4的電性特征反映，推測該斷層產狀較陡，受該斷層影響，推測K17+950～K18+000段圍巖相對較破碎。

4.2.2 南雅隧道備選路線

測線位于K10+400～K12+175，推斷測線存在5條斷裂，1處破碎帶，如圖3所示：1）地表里程K10+750附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F2的電性特征反映，推測該斷層產狀較陡。2）地表里程K10+975附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F3的電性特征反映，推測該斷層產狀較陡。3）地表里程K11+200和K11+525～K11+775附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，結合地質資料推斷為環狀斷層F5的電性特征反映，推測該斷層傾向大里程方向，受該斷層影響，推測K11+150～K11+250和K11+525～K11+775段圍巖相對較破碎。4）地表里程K11+575附近電阻率出現地阻異常，推測圍巖相對較破碎。5）地表里程K12+050附近電阻率出現條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F4的電性特征反映，推測該斷層產狀較陡，受該斷層影響，推測K11+950～K12+050段圍巖相對較破碎。

5 結論

通過本次物探工作，南雅隧道共發現了5條隱伏構造，1處圍巖破碎帶，查明隧道段的地層電性剖面分布特征，可為綜合分析地層展布及巖體完整性提供依據。一般情況下，視電阻率等值線變化平緩，反映了地層巖性變化平緩；反之，視電阻率等值線的不規則變化、劇烈變化，也在很大程度上反映了地層巖性的不規則變化和劇烈變化。

由于野外地質情況的復雜性和物探方法有局限性，因此解釋結果與實際情況會有一定差異。在電法工作中，因地形、覆蓋層、地層含水情況等的劇烈變化，也可能導致解釋結果與實際情況存在偏差。電性斷面結果為一定深度介質電性的綜合反映，解釋結果與鉆探結果可能存在一定差異，物探推測異常應結合鉆探、測繪資料進一步核實確定。