綜合物探在城市輸水隧洞勘察中的應(yīng)用研究

陳爽爽 侯欽禮 張建清 張智 李鵬

摘要：

因強(qiáng)震動、電磁干擾環(huán)境影響，城市輸水隧洞勘察中諸多物探方法應(yīng)用受限，應(yīng)根據(jù)探測目標(biāo)體大小、埋深、施工場地、干擾等因素綜合確定勘探方法。以深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞物探勘察為例，介紹了微動探測、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法的方法原理及觀測系統(tǒng)，分析了各方法在城市環(huán)境下的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：城市輸水隧洞勘察在強(qiáng)震動、電磁干擾區(qū)域宜采用微動探測等被動源彈性波法，無電磁干擾或弱電磁干擾區(qū)域可采用電磁法、直流電法，且其探測成果應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境綜合分析，以識別其中的“假異常”。研究成果可為類似工程地質(zhì)勘查提供一定參考。

關(guān) 鍵 詞：

輸水隧洞； 綜合物探； 微動探測； 可控源音頻大地電磁法； 高密度電阻率法； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.037

0 引 言

中國人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，全國范圍內(nèi)普遍存在缺水情況且具有不斷加劇的趨勢［1］。為優(yōu)化水資源配置，解決水資源空間分布與人口、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展之間的矛盾，中國自20世紀(jì)80年代開始興建引調(diào)水工程［2］。近年來，為實現(xiàn)大型引調(diào)水工程水資源在城市內(nèi)的再分配，一些大、中型城市開始修建市內(nèi)輸水隧洞工程。

城市輸水隧洞勘察主要采用鉆探和物探兩類方法。其中物探方法具有無損、高效、經(jīng)濟(jì)等特點，能夠有效彌補(bǔ)鉆探方法“一孔之見”的不足，克服城市施工場地受限、地下管線極易被破壞的問題，快速實現(xiàn)輸水隧洞沿線隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測［3］。

物探方法為利用探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)在導(dǎo)電性、介電性、波阻抗等方面存在差異以實現(xiàn)勘探的一類方法，可分為彈性波法、電磁法、直流電法等。目前，勘察常用物探方法主要有縱波反射法、橫波反射法、主動源面波法、微動探測、高密度電阻率法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法、可控源音頻大地電磁法等。

城市輸水隧洞物探勘察方法選擇應(yīng)充分考慮城市強(qiáng)震動、電磁干擾等特點，利用環(huán)境中的有效信號識別“假異?！?。

處于強(qiáng)震動、電磁干擾環(huán)境，諸多物探方法應(yīng)用受限，其勘察方法選擇應(yīng)充分考慮探測目標(biāo)體大小、埋深、場地、干擾等因素。

本文以深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，分析微動探測、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法等物探方法在城市環(huán)境下的應(yīng)用效果。

1 工程概況

羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅-鐵工程”）是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)配套項目之一。輸水隧洞洞徑約5.2 m，全長約21.68 km，其中南、北段屬丘陵地貌，中間段約11 km位于主城區(qū)，屬沖洪積地貌，輸水干線采用深埋隧洞形式，平均埋深約70 m。

工程區(qū)第四系分布廣泛，城區(qū)段表層多為人工填土，其下為沖洪積淤泥質(zhì)土、黏土、砂、砂礫石等，丘陵段地表主要為殘坡積砂質(zhì)黏土、黏土等?；鶐r包括沉積巖、變質(zhì)巖、侵入巖三大類，其中沉積巖以泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖等為主；變質(zhì)巖以片巖、片麻巖等為主；侵入巖以花崗巖為主。此外，工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，褶皺劇烈、接觸關(guān)系復(fù)雜，隧洞穿越多條斷裂帶，斷裂影響帶寬數(shù)米至數(shù)十米不等，工程特性差，主要工程地質(zhì)問題為斷層破碎帶、風(fēng)化深槽等。

2 方法原理及觀測系統(tǒng)

2.1 方法選擇

工程區(qū)主要介質(zhì)的電阻率、縱波速度、橫波速度值如表1所列。

由表1可知，工程區(qū)內(nèi)不同巖性或同一巖性不同風(fēng)化程度巖體之間的電阻率、波速存在明顯差異。當(dāng)斷層破碎、風(fēng)化深槽等不良地質(zhì)體發(fā)育時，與周圍介質(zhì)之間也會產(chǎn)生明顯的電阻率、波速等物性差異。物性差異為采用彈性波法、電磁法、直流電法等查明覆蓋層厚度、隱伏地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等情況提供了地球物理前提。

羅-鐵工程為典性線性工程，輸水干線兩端位于城郊丘陵地帶，中間段位于城區(qū)，丘陵區(qū)隧洞埋深大，城區(qū)電磁、震動等干擾因素眾多，此外輸水線路橫穿廠房、高速公路、鐵路、池塘等地表建筑物眾多，施工場地受限。綜合考慮地球物理條件、干擾因素、探測深度和場地條件等，本次物探勘察遵循城區(qū)采用微動探測，丘陵區(qū)采用可控源音頻大地電磁法，進(jìn)、出水口位置采用高密度電阻率法的基本原則。

2.2 微動探測

微動是地球表層時刻存在著的天然微弱振動，震源主要為地殼運動、風(fēng)、海浪、火山活動、潮汐等自然現(xiàn)象以及行駛車輛、機(jī)器運轉(zhuǎn)等人類活動，前者稱為長波微動，一般頻率小于1 Hz，后者稱為常時微動，一般頻率大于1 Hz。微動是由體波（P波和S波）與面波（Rayleigh和Love波）組成的復(fù)雜運動，面波的能量約占信號總能量的70%。微動探測是在地表通過特定的觀測系統(tǒng)記錄微動信號，并提取其中包含的頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質(zhì)橫波的速度結(jié)構(gòu)。

微動探測常用的觀測系統(tǒng)有圓形（嵌套三角形）臺陣、“十”字形臺陣、“T”形臺陣、“L”形臺陣、線性臺陣等。其中，線性臺陣觀測系統(tǒng)可采用幾十個臺站進(jìn)

行滾動測量，一次實現(xiàn)多個勘探點數(shù)據(jù)采集，具有布置靈活、數(shù)據(jù)采集效率高等特點。此外，根據(jù)場地情況，線性臺陣觀測系統(tǒng)每個滾動排列可在垂直測線方向上布設(shè)幾個臺站，用于記錄偏線噪聲源水平，必要時進(jìn)行噪聲源方位角校正，其觀測系統(tǒng)布置如圖1所示。本工程為線性工程，為高效地進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集，故采用線性臺陣觀測系統(tǒng)。

觀測系統(tǒng)主要參數(shù)：臺陣排列長度200 m；臺站間距10 m；勘探點距10～20 m；采樣率2 ms；采集時間30 min。

2.3 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法是基于音頻大地電磁法和大地電磁法發(fā)展起來的采用人工場源建立諧變電磁場來進(jìn)行頻率域測深的方法，在固定收發(fā)距r的情況下，人為改變電磁場的頻率f，以達(dá)到探測地下不同深度地層構(gòu)造的目的。一般來說，高頻數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，低頻數(shù)據(jù)反映深部的電性特征。因此，可控源音頻大地電磁法在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，由此計算出視電阻率，進(jìn)而推斷測區(qū)地電特征和地下構(gòu)造發(fā)育情況，其主要用于區(qū)域隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測。

本次可控源音頻大地電磁法通過場源試驗，確定收發(fā)距約3 km，供電電極距約1.2 km，場源發(fā)射頻率10～9 648 Hz，發(fā)射電流3～20 A，接收采用標(biāo)量共磁道觀測系統(tǒng)，電極距20 m，測點距20 m，一次完成5個勘探點數(shù)據(jù)采集。標(biāo)量共磁道觀測系統(tǒng)布置如圖2所示。

2.4 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以巖（礦）石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種陣列式直流電法勘探。該方法主要通過觀測在施加電場的作用下地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的目標(biāo)體的賦存情況。最大特點是可以一次性沿測線同時布設(shè)幾十到幾百根電極，按選定的供電、測量排列方式自動采集測量電極間的電位值及回路中的電流值。電極距可以視探測深度和探測目標(biāo)體的尺度進(jìn)行設(shè)置。圖3為高密度電阻率法溫納裝置觀測示意。

本次高密度電阻率法采用溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電極距10 m，排列長度590 m，供電電壓180 V。

3 應(yīng)用效果分析

羅-鐵工程物探勘察完成微動探測55 km，共3 050 個測點，可控源音頻大地電磁法探測7 km，共351個測點，高密度電阻率法探測約5 km。下面結(jié)合實例，討論分析各方法在城市輸水隧洞勘察中的應(yīng)用效果。

3.1 微動探測

該工程微動探測主要布置于城區(qū)，采用線性觀測系統(tǒng)，所獲得的背景噪聲數(shù)據(jù)可以有效地進(jìn)行頻散曲線拾取，進(jìn)而獲得地下介質(zhì)視橫波速度結(jié)構(gòu)。但受線性觀測系統(tǒng)長排列觀測方式影響，勘探體積效應(yīng)較大，所得視橫波速度與真橫波速度之間存在系統(tǒng)誤差，且淺部存在勘探盲區(qū)，盲區(qū)深度一般與臺站間距一致。

圖4為花崗巖地層微動探測視橫波速度斷面圖。由圖4可知，視橫波速度由淺至深呈增大趨勢，等值線成層性較好，視橫波速度值整體較花崗巖橫波速度值偏低；測點11～17位置視橫波速度橫向發(fā)生變化，等值線呈“下凹”形態(tài)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，推斷為斷層破碎帶。根據(jù)此探測成果，在15號測點位置，布置了Z17鉆孔對該異常區(qū)進(jìn)行驗證，鉆孔揭露巖體完整性較差，存在碎裂巖，為區(qū)域斷層影響帶。

3.2 可控源音頻大地電磁法

本工程可控源音頻大地電磁法測線布置于丘陵區(qū)，探測成果表明，無電磁或弱電磁干擾區(qū)域，可以有效獲得地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)電磁干擾區(qū)域或場源與測線之間存在電磁干擾源時，電道和磁道信號數(shù)據(jù)畸變嚴(yán)重，一般會引起大范圍的低阻異常響應(yīng)。

圖5為花崗巖地層可控源音頻大地電磁法視電阻率斷面圖。圖（a）測線附近存在高壓線電塔，受其電磁干擾影響，視電阻率值整體偏低，表現(xiàn)為極低阻響應(yīng)，與Z2、Z5鉆孔揭露的巖芯情況不符，即為“假異?！?。圖（b）測線附近無電磁干擾，視電阻率值由淺至深逐漸增大，測點1～7在高程-20～40 m范圍內(nèi)視電阻率較低，推斷為風(fēng)化深槽，ZJ6鉆孔揭露該處全風(fēng)化花崗巖底界面高程約為-17 m。

3.3 高密度電阻率法

該工程高密度電阻率法測線主要布置于進(jìn)、出水口位置，探測成果表明，無游散電流分布區(qū)域可以獲得地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)，在高壓電塔接地等游散電流分布區(qū)域，測量電位、電流畸變點較多，一般在中、淺部會引起閉合狀低阻異常響應(yīng)。

圖6為高密度電阻率法視電阻率斷面圖。圖（a）測線位于片麻巖地層，樁號170，260 m附近存在高壓電塔，相應(yīng)的在視電阻率斷面圖中出現(xiàn)閉合狀低阻異常區(qū)，與A3鉆孔揭露巖芯情況不符，即為“假異?！?。圖（b）測線位于花崗巖地層，由淺至深視電阻率值呈增大趨勢，成層性較好，以視電阻率值1 700 Ω·m作為基巖-覆蓋層分界面，推斷覆蓋層厚度與Z11鉆孔揭露覆蓋層厚度誤差0.8 m。

4 結(jié) 論

本文以深圳市羅-鐵工程物探勘察為例，在對微動探測、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法方法原理、觀測系統(tǒng)介紹的基礎(chǔ)上，分析研究了其在城市環(huán)

境下的應(yīng)用效果，結(jié)論如下：

（1） 微動探測線性觀測系統(tǒng)可有效獲得地下介質(zhì)視橫波速度結(jié)構(gòu)，但受長排列觀測方式影響，勘探體積效應(yīng)較大，所得視橫波速度與真橫波速度之間存在系統(tǒng)誤差，且淺部存在勘探盲區(qū)，盲區(qū)深度與臺站間距成正比。

（2） 可控源音頻大地電磁法探測效果受測點附近及場源與測線之間的電磁干擾影響較大，強(qiáng)電磁干擾

一般會造成大范圍極低阻“假異常”，無強(qiáng)電磁干擾時可有效進(jìn)行隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測。

（3） 高密度電阻率法探測效果受電極附近游散電流影響較大，一般會造成一定范圍的閉合狀低阻“假異?！保瑹o游散電流干擾時可有效進(jìn)行覆蓋層厚度、隱伏地質(zhì)構(gòu)造等探測。

（4） 城市輸水隧洞勘察強(qiáng)電磁、震動干擾區(qū)域宜采用微動探測等被動源彈性波法，無電磁干擾或弱電磁干擾區(qū)域可采用電磁法、直流電法，其探測成果應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境綜合分析，以識別其中的“假異常”。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 鈕新強(qiáng)，張傳健.復(fù)雜地質(zhì)條件下跨流域調(diào)水超長深埋隧洞建設(shè)需研究的關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.隧道建設(shè)（中英文），2019，39（4）：523-536.

［2］ 王志強(qiáng)，李廣誠.中國長距離調(diào)水工程地質(zhì)問題綜述［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2020，28（2）：412-420.

［3］ 陳爽爽，李鵬，張智，等.線性臺陣被動源面波法在地下空間探測中的應(yīng)用［J］.人民長江，2022，53（2）：77-81.

（編輯：郭甜甜）