張 軍

（中鐵一院集團(tuán)甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，蘭州 730000）

CSAMT結(jié)合高密度電阻率法在鐵路深埋隧道勘探中的應(yīng)用

張 軍

（中鐵一院集團(tuán)甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，蘭州 730000）

在鐵路深埋隧道工程地質(zhì)勘察中，采用CSAMT法結(jié)合高密度電阻率法勘探組合。高密度電阻率法彌補(bǔ)了CSAMT法對淺部分層上的不足，同樣CSAMT法又彌補(bǔ)了高密度電阻率法在勘探深度上的不足。當(dāng)在接地良好、電磁干擾較小的地質(zhì)環(huán)境條件下，兩種方法都可以劃分層面，用兩種方法相互驗證，得到的結(jié)果更接近實際情況。通過實例證明此種組合是一種行之有效的勘探方法。

CSAMT；高密度電阻率法；二維反演；深埋隧道

0 引言

近年來，隨著國家對鐵路建設(shè)的投資規(guī)模越來越大，人民對出行速度的要求也越來越高，設(shè)計的鐵路深埋隧道（大于200m）也越來越多。隧道埋深越大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，勘察難度也越大，如何對深埋隧道進(jìn)行有效的地質(zhì)勘察，是擺在當(dāng)前地質(zhì)工作者面前的一個難題［1］。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）具有探測深度大（可至2km）、橫向分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點，是當(dāng)前勘探深埋隧道的重要方法［2］。高密度電阻率法具有數(shù)據(jù)量大、成本低、效率高等特點，且能較直觀地反映地下地質(zhì)體的形態(tài)、規(guī)模等，是當(dāng)前勘探淺埋（小于200m）隧道的重要方法。

由于隧道進(jìn)出口段埋深普遍較淺，因此探測深埋隧道的有效工作方式為：利用CSAMT法對隧道進(jìn)行貫通布置，然后利用高密度電法對隧道進(jìn)出口淺埋段進(jìn)行布置，這樣二者可以互相彌補(bǔ)，互相驗證。

1 CSAMT基本原理

CSAMT法是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測深方法［3］。它的工作原理就是利用人工場源激發(fā)地下巖石，在電流流過時產(chǎn)生電位差，然后用儀器接收不同供電頻率形成的一次場電位（圖1）。由于不同頻率的激勵場具有不同的趨膚深度，因而觀測結(jié)果可以反映測點下電阻率隨深度的變化特征［4］。通過觀測不同發(fā)射頻率下電磁場的正交電磁分量及其相位差，可以計算出不同深度下的視電阻率值［5］；通過沿一定方向（設(shè)為X方向）布置的供電電極AB向地下供入某一音頻f的諧變電流，在一側(cè)60°張角的扇形區(qū)域內(nèi)，沿X方向布置測線，沿測線逐點觀測相應(yīng)頻率的電場分量Ex和與之正交的磁場分量Hy，進(jìn)而計算卡尼亞視電阻率

圖1 CSAMT法原理示意圖Fig．1 CSAMT schematic diagram

圖2 測量系統(tǒng)擬斷面圖Fig．2 Sequence of measurements used to build up apseudosection

和阻抗相位φz＝φEx－φHy

式中：φEx、φHy為Ex和Hy的相位；μ是大地的磁導(dǎo)率。通過在相關(guān)音頻段逐次改變供電電流和測量頻率的方法，可測出卡尼亞視電阻率和阻抗相位隨頻率的變化，從而得到卡尼亞視電阻率、阻抗相位隨頻率的變化曲線，完成頻率測深［6］。

2 高密度電阻率法基本原理

高密度電法是直流高密度電阻率法，與從中還發(fā)展出直流激發(fā)極化法統(tǒng)稱為高密度電法。其基本原理與常規(guī)電阻率法相同，它是以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律來解決地下地質(zhì)問題［7］。高密度電法實際上是一種陣列勘探方法，它的地面電極是一次性布設(shè)完成的（圖2），布設(shè)完后統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測。由于其具有點距密、測量自動化程度高、成本低等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。

3 工區(qū)概況

3．1 測區(qū)地質(zhì)概況和地球物理勘探前提

新疆某鐵路隧道位于新疆木壘縣境內(nèi)，設(shè)計隧道長度為9 165m，最大埋深約為329m，地形起伏較大。線路經(jīng)過北天山中山區(qū)及剝蝕緩丘區(qū)，沖溝發(fā)育，溝心表層以碎石類土為主，夾雜砂類土薄層，隧道出口段沖溝內(nèi)分布上第三系泥巖，溝心兩側(cè)主要出露石炭系凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)砂巖；隧道范圍內(nèi)未見地表水，地下水位埋深不大；隧道通過范圍內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，且通過1條區(qū)域性斷裂，存在2處巖性接觸帶，長大節(jié)理及節(jié)理密集帶較發(fā)育，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

在物探工作前期，對隧道區(qū)域內(nèi)代表性巖石的電性參數(shù)做了直流電測深測試，其中包括上第三系泥巖和石炭系凝灰?guī)r，并對凝灰?guī)r按其風(fēng)化程度分為兩類分別做了測試，即風(fēng)化巖體和相對完整巖體，具體測試結(jié)果見表1。

表1 不同巖性視電阻率值統(tǒng)計Tab．1 The apparent resistivity values of different lithologies statistics

從表1可以看出，測區(qū)內(nèi)巖體具有一定的電性差異，這為測區(qū)的電法勘探工作提供了前提條件。

3．2 野外施工方案

隧道洞軸采用CSAMT法布置貫通，點距為25 m；隧道出口段采用高密度電阻率法布置，剖面長為1．5km，電極距為10m（圖3）。由于物探測線并非全部位于隧道中線，故在形成斷面圖時，將位于線路中線附近且方向與線路一致的剖面投影到線路上，即斷面圖上的里程是投影里程（分析描述時按地面里程進(jìn)行分段）。

4 數(shù)據(jù)處理及解釋

首先對高密度電阻率法野外采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再對地形進(jìn)行反演，這些工作都可以在二維電阻率反演軟件下實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理工作主要是剔除一些由接地不好電極影響的壞數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)自帶的隨機(jī)高斯干擾數(shù)據(jù)。使用的二維反演軟件是瑞典ABEM公司的res2dinv軟件，該軟件使用快速最小二乘法對電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，可帶地形反演進(jìn)行地形校正。其流程為：首先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成反演軟件可識別的文件，將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入該數(shù)據(jù)文件中；其次是反演，將上一步生成的數(shù)據(jù)調(diào)入反演軟件中，設(shè)置反演參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)、選擇有限元模型、修改模型層厚度因子，再根據(jù)各斷面實際情況確定是否選擇ROBUST反演數(shù)據(jù)約束等，然后進(jìn)行反演，最后選擇合適的迭代結(jié)果來做反演成果圖［8］（圖4），再結(jié)合工區(qū)地質(zhì)資料初步判斷異常位置。

CSAMT數(shù)據(jù)處理過程使用的數(shù)據(jù)處理軟件是Geosystem公司的WINGLINK，該軟件是一個綜合性的地球物理（非地震）解釋軟件。通過CSAMT數(shù)據(jù)所做出的頻率擬斷面圖，結(jié)合高密度電阻率法所判斷出的異常位置，對照CSAMT原始數(shù)據(jù)頻率擬斷面圖的異常趨勢，看二者的異常是否具有對應(yīng)關(guān)系。對于沒有對應(yīng)的異常，應(yīng)判斷是否因干擾原因（靜態(tài)位移、地形影響、近場影響等）所造成的虛假異常；對于有對應(yīng)的異常，依據(jù)高密度電阻率法資料及CSAMT資料相位曲線，確定CSAMT曲線編輯原則（重點在于數(shù)據(jù)高頻段的擬合）。

圖3 新疆某鐵路隧道物探平面布置圖Fig．3 Xinjiang a railway tunnel geophysical prospecting the floor plan

1）數(shù)據(jù)編輯是資料處理的重要部分，它包含數(shù)據(jù)的審驗、圓滑、曲線編輯、靜校正等內(nèi)容，主要目的是消除儀器噪聲、天然電磁噪聲、風(fēng)噪聲和人文噪聲引起的明顯畸變，并為模型背景的確定、靜態(tài)校正等反演參數(shù)選擇提供依據(jù)［9］。

2）曲線編輯是利用“D＋圓滑”方法來編輯曲線，該方法將視電阻率曲線和相位曲線結(jié)合，且不會削弱有效信號，也不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行剔點處理，減少了人工編輯中人為因素的干擾，提供了靜態(tài)偏移校正。它可以對存在靜態(tài)效應(yīng)電阻率曲線的數(shù)據(jù)作靜校正，且在反演模塊中可以通過“static shift”參數(shù)來設(shè)置靜校正值。在反演中對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動靜校正，能對曲線的逐個頻點對應(yīng)的視電阻率和相位進(jìn)行編輯，能實現(xiàn)曲線的反復(fù)編輯擬合，可以有效去掉有誤的頻點，保證視電阻率和相位曲線間的物理有效性，提高反演效果。手動校正完成之后應(yīng)重新生成擬斷面圖，通過對比來確認(rèn)以上校正的有效性，必要時對個別曲線應(yīng)多次校正、反復(fù)對比，以達(dá)到合適的校正效果［10］。

對編輯后的CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演，建立反演剖面、確定有效擬合頻段、選擇初始模型、剖分帶地形的有限差分的網(wǎng)格、設(shè)定反演電阻率背景值等。初始背景電阻率值應(yīng)該在參與反演的數(shù)據(jù)頻率范圍給定后再設(shè)定，參與反演最高頻率只需包含實測數(shù)據(jù)的最高頻即可，不宜過高。如果最高頻率過大，會造成網(wǎng)格太密，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)多，容易使程序運算時“溢出”。另外初始電阻率值的設(shè)定應(yīng)該參考測區(qū)已知物性資料。同時選取正則化因子、設(shè)置權(quán)重系數(shù)、迭代次數(shù)、選取擬合誤差后才能進(jìn)行帶地形的“NLCG”反演。由于物探結(jié)果的多解性，反演參數(shù)的選擇至關(guān)重要，因此需經(jīng)過多次試算才能得到最合理的參數(shù)［11］。反演結(jié)束后，選擇最為合適的反演結(jié)果繪成CSAMT二維反演電阻率等值線斷面圖（圖5）。

從圖4、圖5中可以看出，高密度電阻率反演斷面圖所反映出的淺部電性分層較為明顯、對淺部的斷層反應(yīng)較為明顯，其中在DK172＋000—DK172＋100、DK172＋300—DK172＋400以及DK172＋800—DK172＋900段存在三段明顯的低阻異常；在CSAMT二維反演電阻率等值線斷面圖中僅在DK171＋850—DK172＋000及DK172＋600—DK172＋800段具有明顯的向下延伸的低阻異常反映，且無法區(qū)分開強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和斷層角礫的電性差異，因而無法確定斷層的走向及寬度。通過高密度電阻率反演斷面圖中斷層對應(yīng)在CSAMT二維反演電阻率等值線斷面圖的位置，可以得出斷層角礫的電阻率值范圍，從而對CSAMT二維反演電阻率等值線斷面圖中的低阻異常做出合理劃分（圖6）。這樣既能保證勘探的深度要求，又能對隧道的淺部異常作合理的判斷，從而提高了勘探的精度。

圖4 新疆某鐵路隧道高密度電阻率法反演斷面圖Fig．4 Xinjiang a railway tunnel high density resistivity method resistivity inversion the sectional drawing

圖5 新疆某鐵路隧道CSAMT二維反演電阻率等值線斷面圖Fig．5 Xinjiang a railway tunnel CSAMT 2Dinversion resistance isoline rate cut

圖6 新疆某鐵路隧道物性地質(zhì)斷面圖Fig．6 Xinjiang a railway tunnel CSAMT property geological the sectional drawing

結(jié)合這兩種方法的反演結(jié)果可以看出，斷層破碎帶及節(jié)理密集帶內(nèi)（fw3、fw4、fw5、fw6、fw7）電阻率值明顯低于兩側(cè)背景值，對勘探區(qū)域內(nèi)的低阻異常帶做出了相對比較合理的劃分（所描述的里程為根據(jù)巖性構(gòu)造的走向投影在線路洞身附近的里程）。對以上構(gòu)造帶的物性地質(zhì)特征描述如下：

1）fw3斷層位于DK172＋815—DK172＋695段，沿剖面寬約120m，向小里程方向陡傾，斷層發(fā)育在石炭系（C）凝灰?guī)r中，斷層帶內(nèi)電阻率為100 Ω·m～200Ω·m，巖體破碎，含水。

2）fw4斷層位于DK172＋565—DK172＋500段，沿剖面寬約65m，向大里程方向陡傾，斷層發(fā)育在石炭系（C）凝灰?guī)r中，斷層帶內(nèi)電阻率為100 Ω·m～200Ω·m，巖體破碎，含水。

3）fw5斷層位于DK172＋355—DK172＋270段，沿剖面寬約85m，向小里程方向陡傾，斷層發(fā)育在石炭系（C）凝灰?guī)r中，為隱伏斷層，被第三系泥巖所覆蓋，斷帶向下延伸約100m，斷層帶內(nèi)電阻率為100Ω·m～200Ω·m，巖體破碎，含水。

4）fw6斷層位于DK172＋120—DK172＋035段，沿剖面寬約85m，向大里程方向陡傾，斷層發(fā)育在石炭系（C）凝灰?guī)r中，為隱伏斷層，被第三系泥巖所覆蓋，斷帶向下延伸約100m，斷層帶內(nèi)電阻率為100Ω·m～200Ω·m，巖體破碎，含水。

5）fw7斷層位于DK171＋930—DK171＋830段，沿剖面寬約100m，向大里程方向陡傾，斷層發(fā)育在石炭系（C）凝灰?guī)r中，斷層帶內(nèi)電阻率為50 Ω·m～200Ω·m，巖體破碎，含水。

為了驗證以上推斷，在里程DK172＋050（圖7）及DK171＋900處各布置了一個鉆孔，結(jié)果從其中打出了斷層泥及斷層角礫，與物探推測結(jié)果對應(yīng)較好。

圖7 里程DK172＋050處鉆孔現(xiàn)場巖芯照片F(xiàn)ig．7 The mileage DK172＋050at the drilling site core photos

5 結(jié)語

通過CSAMT結(jié)合高密度電阻率法對新疆某鐵路隧道勘探中的應(yīng)用研究，準(zhǔn)確而詳實地劃分了隧道通過區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)概況，為以后的工程施工提供了依據(jù)。由此可見，CSAMT法結(jié)合高密度電阻率法在深埋隧道勘察中具有很好的效果。

CSAMT法能有效探測高阻覆蓋層下的地質(zhì)信息，電磁信號不受高阻影響，在高阻介質(zhì)中轉(zhuǎn)播的更深，能有效地探測到深層地質(zhì)信息，受場地影響較小，不過對淺層分辨率較低；高密度電阻率法具有點距小、數(shù)據(jù)量大、分辨率高等特點，能較直觀、有效、準(zhǔn)確地反映淺層地下地質(zhì)體的電性特征，但是勘探深度有限，且地表存在高阻覆蓋層的情況下，對深部地區(qū)很難取得良好的勘探效果。因此對于勘察深埋隧道時，使用這兩種方法可以互相彌補(bǔ)雙方的不足，且能互相驗證，從而達(dá)到良好的勘察效果。

致謝

作者在編寫過程中，得到了中鐵一院甘肅勘察院物探所韓永琦、蔡少峰、張光保的指導(dǎo)和改正，在此表示感謝。

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Application in railway tunnels deep exploration of the CSAMT combined high density resistivity method

ZHANG Jun
（The exploration geophysics department of the Gansu Railway Exploration and Survey Institute，F(xiàn)SDI Group，Lanzhou 730000，China）

In railway engineering geological exploration in deep tunnel，a combination of CSAMT high density resistivity method prospecting combinations is used．High density resistivity method to make up for lack of CSAMT shallow portions of the layer，the same，CSAMT up for the lack of high－density resistivity method in the exploration depth．When there is a good grounding，electromagnetic interference smaller geological environment，both methods can be divided into levels，there are two ways to authenticate each other，and the result is closer to the actual situation．This paper describes examples of the kinds of combinations of process application in practice to demonstrate that this combination is an effective exploration method．

CSAMT；high density resistivity method；2Dinversion；deep tunnel

P 631．3＋25

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．08

1001-1749（2015）03-0313-06

2014-09-04 改回日期：2014-10-21

張軍（1982－），男，工程師，主要從事地球物理勘探方法研究，E-mail：zj0931＠vip．qq．com。