莫亦可

（成都理工大學(xué)，成都 610059）

EH-4電磁成像系統(tǒng)在高速鐵路隧道工程勘察中的應(yīng)用

莫亦可

（成都理工大學(xué)，成都 610059）

EH-4電磁成像系統(tǒng)，兼具有源電磁法的穩(wěn)定性和無源電磁法儀器設(shè)備的輕便性特點(diǎn)，能對(duì)隧道洞身周圍地質(zhì)構(gòu)造有較為精確的宏觀反映。以成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道施工為例，介紹該系統(tǒng)在高速鐵路隧道勘察中的應(yīng)用。

電磁成像；隧道；高速鐵路；工程勘察

鐵路工程施工過程中，隧道圍巖一定范圍內(nèi)的軟弱層、巖溶洞穴和斷層破碎帶往往存在施工安全隱患，因此對(duì)工區(qū)可能存在的破碎富水巖體等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前宏觀預(yù)測(cè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。鐵路隧道工區(qū)往往地形條件惡劣，對(duì)探測(cè)儀器的便攜性要求較高。美國(guó)Geometrics和EMI公司聯(lián)合研制生產(chǎn)的雙源型大地電磁系統(tǒng)，即EH-4電磁成像系統(tǒng)，兼具有源電磁法的穩(wěn)定性和無源電磁法儀器設(shè)備的輕便性特點(diǎn)，能對(duì)隧道洞身周圍地質(zhì)構(gòu)造有較為精確的宏觀反映。

1 EH-4電磁成像系統(tǒng)原理

EH-4電磁成像系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱EH-4）既可以使用天然場(chǎng)源的大地電磁信號(hào)，又可以使用人工場(chǎng)源的電磁信號(hào)，以此來獲得測(cè)量點(diǎn)下的電性結(jié)構(gòu)。低頻數(shù)據(jù)受到深部或遠(yuǎn)處地質(zhì)體的影響，通過天然場(chǎng)成像（MT），其信號(hào)源為0.010～1kHz，高頻數(shù)據(jù)受到淺部或附近的地質(zhì)體的影響。它通過一個(gè)新型便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射500Hz到100kHz的人工信號(hào)，彌補(bǔ)了人工信號(hào)源的不足，實(shí)現(xiàn)了天然信號(hào)源與人工信號(hào)源相結(jié)合的采集處理方法，可以有效地穿透不同厚度的覆蓋層（如風(fēng)成黃土、殘坡積物等），連續(xù)的測(cè)深點(diǎn)陣組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像，高精度反演測(cè)區(qū)內(nèi)地下0～1 000m的電性結(jié)構(gòu)，更好地適應(yīng)了惡劣條件下的鐵路隧道勘探。

EH-4 通過觀測(cè)正交的電場(chǎng)分量（Ex，Ey）和磁場(chǎng)分量（Hx，Hy）的時(shí)間序列，通過傅立葉變化將時(shí)間域的電磁信號(hào)變成頻譜信號(hào)，得到 Ex、Ey、Hx、Hy，最后通過式（1）和式（2）分別計(jì)算X方向和Y方向的卡尼亞電阻率：

式中：f—頻率，Hz；ρ—電阻率，Ω·m；E—電場(chǎng)強(qiáng)度，mV/km；H—磁場(chǎng)強(qiáng)度，nT。在一個(gè)寬頻帶上測(cè)量E和H，并由此計(jì)算出不同頻率下的卡尼亞視電阻率和相位，可以確定地下巖層的電性結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造。

電磁波在大地介質(zhì)中的穿透深度（或趨膚深度）與頻率有關(guān)。穿透深度可由式（3）表示：

由式（3）可知，趨膚深度和地質(zhì)體電阻率成正比，和頻率（f）成反比，即高頻資料主要反映淺部介質(zhì)的電性特征，低頻資料則主要反映深部介質(zhì)的電性變化特征；因此，通過研究地表采集的電性磁性數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息。

EH-4的主要特點(diǎn)可歸納如下：

（1）EH-4應(yīng)用大地電磁法的原理，但使用人工電磁場(chǎng)和天然電磁場(chǎng)兩種場(chǎng)源；

（2）EH-4既具有有源電探法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便；

（3）EH-4能同時(shí)接收并分析X、Y兩個(gè)方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，反演X-Y電導(dǎo)率張量剖面，對(duì)判斷二維構(gòu)造非常有利；

（4）EH-4儀器設(shè)備輕，觀測(cè)時(shí)間短，完成一個(gè)近1 000m深度的測(cè)深點(diǎn)，大約只需5～20min，這使它可以輕而易舉實(shí)現(xiàn)密點(diǎn)連續(xù)測(cè)量（首尾相連），進(jìn)行EMAP連續(xù)觀察；

（5）在EH-4的采集控制主機(jī)中插入兩塊附加的地震采集板，就可使一臺(tái)EH-4兼作地震儀和電導(dǎo)率測(cè)量，為一機(jī)實(shí)現(xiàn)綜合勘探首創(chuàng)先例；

（6）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示，資料解釋簡(jiǎn)捷，圖像直觀。

2 系統(tǒng)使用方法

EH-4在野外實(shí)際測(cè)量中多采用剖面法，即沿垂直于構(gòu)造走向的測(cè)線上，每個(gè)一定距離進(jìn)行類似于單點(diǎn)的測(cè)量，根據(jù)標(biāo)量測(cè)量和張量測(cè)量的設(shè)計(jì)，所測(cè)參數(shù)有2～4個(gè)。

EH-4成像系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其中發(fā)射系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線和控制器組成；接收系統(tǒng)主要由前置放大器、電子傳感器及附屬設(shè)備組成；控制系統(tǒng)主要由主控及系列軟件組成，系統(tǒng)軟件有數(shù)據(jù)采集控制和資料處理兩大功能。三大系統(tǒng)組成的野外工作裝置布置見圖1。

圖1 EH-4電磁成像系統(tǒng)工作裝置布置

在進(jìn)行野外實(shí)際測(cè)量時(shí)，將測(cè)線方向視為X方向，垂直測(cè)線方向視為Y方向，在測(cè)線的測(cè)點(diǎn)采用“十”字形布極的方式，以前置放大器為中心沿X和Y方向布置兩組相互正交的高頻磁探頭和電極，為了保護(hù)前置放大器，應(yīng)首先接地，并且遠(yuǎn)離磁棒至少10m。根據(jù)地形和地物條件，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的電極距為8～20m不等，電極方向分別平行和垂直于測(cè)線。同樣，高頻磁探頭也分別平行和垂直于測(cè)線（X磁棒平行于Y方向，Y磁棒平行于X方向）。磁棒離前置放大器應(yīng)大于5m，為盡可能地消除人文干擾，應(yīng)將其埋入地下，保證平穩(wěn)，用羅盤和水平尺使Hx和Hy兩個(gè)磁棒呈直角（誤差控制在2°以內(nèi)）水平放置，放置位置應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離房屋、電纜和大樹的地方。所有工作人員要離開磁棒至少10m，主機(jī)要放置在遠(yuǎn)離前置放大器至少20m的平臺(tái)上，主機(jī)操作員應(yīng)最好能看到前置放大器和磁棒的布置。另外，為保證測(cè)量質(zhì)量，應(yīng)保證各個(gè)電極接地良好并盡量避免周圍環(huán)境中的干擾因素，例如人工電場(chǎng)、鐵制品等。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

對(duì)野外采集的時(shí)間域兩個(gè)電場(chǎng)分量Ex、Ey，以及兩個(gè)磁場(chǎng)分量Hx、Hy進(jìn)行傅氏變換轉(zhuǎn)換為頻率域信號(hào)，獲得電磁場(chǎng)頻率域的實(shí)分量和虛分量，計(jì)算出各個(gè)頻帶的視電阻率，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振幅，相位差以及相干度等，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一維Bostic反演。在一維反演的基礎(chǔ)上，室內(nèi)資料處理采用了Robust估計(jì)方法處理時(shí)間序列資料，Robust估計(jì)方法不允許少數(shù)異常數(shù)據(jù)或“飛點(diǎn)”在阻抗的計(jì)算中起控制作用，最大限度地壓制了不相關(guān)噪聲的影響，從而獲得高質(zhì)量的張量阻抗元素，利用公式（1）或（2）計(jì)算出視電阻率，再利用EH-4二位成像軟件和Surfer繪圖軟件最終可獲得剖面的二位電阻率模型。數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 EH-4電磁成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

4 應(yīng)用實(shí)例

成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道位于重慶中梁山山脈中部中梁山位于四川盆地的東南部，屬嘉陵江、長(zhǎng)江侵蝕河谷發(fā)育的低山丘陵地區(qū)，地形受構(gòu)造及巖性的控制，在中梁山背斜兩翼，可溶巖與砂、泥頁巖相間分布，形成北東向延伸的三條平行山脊（山嶺）和兩條巖溶槽谷（東槽谷、西槽谷）相間的“筆架形”平行嶺谷地貌景觀。溶蝕形成對(duì)稱的兩個(gè)洼地，被當(dāng)?shù)鼐用穹Q為東、西兩槽谷；侵蝕速度較慢的砂頁巖則突起成山。隧道中部分水嶺高程達(dá)640m；東西兩側(cè)槽谷高程480～520m；山腳以外為侏羅系組成的紅色丘陵區(qū)，高程僅300m左右。左、右線隧道各長(zhǎng)4 100m，因隧道埋深大，地表缺水，不可能布置太多鉆孔，也無法采用常規(guī)淺層物探方法，故采用EH-4大地電磁測(cè)深法?？碧降哪康脑谟诓榍逅淼乐車臄鄬?、富水帶、破碎帶，查明隧道的工程地質(zhì)條件，為安全施工提供必要的物探依據(jù)。

圖3 新中梁山左線隧道EH-4大地電磁測(cè)深電阻率等值線斷面

如圖3所示，該隧道從D2K290+300～D2K294+400，全長(zhǎng)4 100m，受中梁山背斜影響，巖體較破碎，節(jié)理較發(fā)育，測(cè)區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。整個(gè)工區(qū)電阻率主要表現(xiàn)為高阻，僅進(jìn)、出口段電阻率偏低，結(jié)合地質(zhì)資料可知，主要為泥巖、砂巖和含煤地層電性反應(yīng)。圖中空白區(qū)域?yàn)楦邏壕€干擾區(qū)。

圖4 新中梁山右線隧道EH-4大地電磁測(cè)深電阻率等值線斷面

如圖4所示，該隧道從YD2K290+300～YD2K294+400，全長(zhǎng)4 100m，受中梁山背斜影響，巖體較破碎，節(jié)理較發(fā)育。洞身附近電阻率等值線分布凌亂，高、低阻團(tuán)塊，條帶相互交叉，低阻團(tuán)塊下凹畸變嚴(yán)重。圍巖總體極破碎、極軟弱,溶強(qiáng)烈發(fā)育。

5 結(jié) 論

以成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道勘探工程的應(yīng)用為例，可以很好地說明EH-4在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下可以取得良好的勘探效果。對(duì)隧道通過區(qū)域周圍的斷層、破碎帶和富水帶進(jìn)行超前的宏觀預(yù)測(cè)，這除了方法本身的優(yōu)勢(shì)外，也要依賴于野外操作中對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求和室內(nèi)處理中一絲不茍的專業(yè)精神。由于EH-4不能提供掩體的電阻率，局部區(qū)域具有多解性（低阻不一定就是破碎巖性的反應(yīng)，也有可能是由于高壓線，民用電線等客觀因素干擾的反應(yīng)），工作中應(yīng)盡量采用多種物探手段，并結(jié)合鉆孔加以驗(yàn)證。

隨著EH-4大地電磁測(cè)深法勘探精度的不斷提高，在1～1.5km范圍內(nèi)能夠發(fā)現(xiàn)電阻率差異較大的高、低阻異常體，是長(zhǎng)大深埋隧道勘探中的一種行之有效的手段，值得推廣應(yīng)用。

[1]柳建新,蔣玲霞,嚴(yán)家斌,等.EH4電磁成像系統(tǒng)在高速公路隧道工程勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2008,5(6):652-656.

[2]趙智能，邢保國(guó).EH-4電磁成像系統(tǒng)在高速公路隧道工程勘察中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，7（3）：323-326.

[3]何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1990.

[4]考夫曼A A,凱勒G V.頻率域和時(shí)間域電磁測(cè)深[M].北京:地質(zhì)出版社,1987.

[5]劉國(guó)興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[6]陳慶凱,席振銖.EH-4電磁成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程研究[J].有色礦冶 ,2005，21（5）：7-9.

[7]申萍,沈遠(yuǎn)超,劉鐵兵,等.EH-4連續(xù)電導(dǎo)率成像儀在隱伏礦體定位預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].礦床地質(zhì)，2007，26（1）：70-78.

The Application of EH-4 Electromagnetic Imaging System in the Exploration of High Speed Railway Tunneling Engineering

MO Yi-ke
(Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

This article presents the mechanism,features,working principles and data processing methods of EH4 Electromagnetic Imaging System.The application of that system in the construction of new Mount Zhongliang tunnel in Chengyu Expressway has provided a convincing example to illustrate that EH4 Electromagnetic Imaging System is an effective approach for macro forecast in detecting weak belts,groundwater and fault fractured zones.

Electromagnetic Imaging；tunneling；high speed railway；project exploration

U452

A

1673-1980（2011）06-0154-03

2011-08-29

莫亦可（1987-），男，四川閬中人，成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶懦上瘛?/p>