張標(biāo)東（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京　102600）

可控源音頻大地電磁法在深埋長(zhǎng)隧道勘查中的應(yīng)用研究

張標(biāo)東
（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

深埋長(zhǎng)隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，為確保施工安全，避免重大塌方及突水事故的發(fā)生，須盡可能掌握實(shí)際地質(zhì)情況。本文以我國(guó)西南地區(qū)某特長(zhǎng)深埋隧道為例，探討利用可控源音頻大地電磁法在深埋長(zhǎng)隧道中探測(cè)常見的破碎帶、軟弱巖體和含水地層的有效應(yīng)用。結(jié)果表明，可控源音頻大地電磁法在深埋長(zhǎng)隧道勘查中具有良好的應(yīng)用效果。

可控源音頻大地電磁法；V8多功能電法；深埋長(zhǎng)隧道

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，公路、鐵路建設(shè)的力度也在不斷提高，因此不可避免地會(huì)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行深埋長(zhǎng)大隧道的勘查。一般情況下深埋長(zhǎng)隧道工程的地質(zhì)情況具有復(fù)雜性、模糊性和不確定性，使隧道施工常常遇到各種地質(zhì)災(zāi)害，例如高壓涌水、高瓦斯突出、高地溫、巖石變形破碎等。地球物理勘探方法是通過(guò)儀器觀測(cè)地層的物理場(chǎng)變化，以查明地下的各種地質(zhì)問(wèn)題，具有成本低、效率高和透視性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？煽卦匆纛l大地電磁法（CSAMT）是一種地形影響小、勘探深度大、分辨率高的物探方法，被廣泛應(yīng)用于工程、礦產(chǎn)勘查和隧道勘察中。CSAMT對(duì)低阻感應(yīng)非常靈敏，可以非常有效地劃分?jǐn)鄬悠扑閹?，固定地下水聚集區(qū)；同時(shí)CSAMT還能有效地避免高阻屏蔽效應(yīng)，克服地震折射法和常規(guī)電測(cè)深法所不能探測(cè)到的深度。針對(duì)隧道中的斷層破碎帶，地下水聚集區(qū)等地質(zhì)情況，CSAMT具有良好的應(yīng)用效果。

1　CSAMT原理

1.1 CSAMT原理基礎(chǔ)?？煽卦匆纛l大地電磁法是基于電磁法理論和麥克斯韋方程組，在音頻大地電磁法和大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率域測(cè)深方法。研究大地電磁測(cè)深的關(guān)鍵理論就是研究地面電磁場(chǎng)與地下巖石的電阻率的相關(guān)性，電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)就是麥克斯韋方程組。

（1）麥克斯韋方程組

（2）CSAMT法的卡尼亞視電阻率方程

式中：Ex為電場(chǎng)、Hy為磁場(chǎng)，ρs為視電阻率，f為頻率。

（3）趨膚深度公式

式中：D為探測(cè)深度，m；r為地表電阻率，Ω·m；f為頻率，Hz。

1.2 CSAMT采集處理方法

1.2.1 CSAMT特點(diǎn)?？煽卦匆纛l大地電磁法采用的是人工場(chǎng)源產(chǎn)生的一種頻率域電磁測(cè)深法，具有探測(cè)深度深、穿透能力強(qiáng)、能有效穿透高阻屏蔽層、信噪比高等特點(diǎn)。（1）可控源音頻大地電磁法具有豐富的頻譜，能有效地穿透高阻屏蔽層；（2）可控源音頻大地電磁法所測(cè)的各層電阻率是每一層的縱向電阻率，與橫向電阻率關(guān)系不大，即電場(chǎng)分布與地下介質(zhì)各向異性關(guān)系不大；（3）可控源音頻大地電磁法探測(cè)深度大，根據(jù)趨膚深度公式可知，V8使用的頻率范圍在0.125～9600Hz，發(fā)送功率為30kVA，勘探深度范圍從幾十米至幾千米不等。

1.2.2 儀器設(shè)備。可控源音頻大地電磁法的設(shè)備主要是V8多功能電法儀，該設(shè)備由四大系統(tǒng)組成：發(fā)射系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)。該儀器具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點(diǎn)。與普通電法儀相比，加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）保持了最高的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率，每道均為A/D轉(zhuǎn)換器，低頻MT弱信號(hào)采用24們。（2）有效地避免了50Hz的工業(yè)干擾，有利于在城市和礦區(qū)等人類活動(dòng)頻繁的地區(qū)開展工作。（3）可以根據(jù)地質(zhì)地電條件改變測(cè)量頻點(diǎn)，從而大大地提高了測(cè)量的勘探精度和垂向分辨率。（4）無(wú)線與有線通訊均可使用，有利于開展山區(qū)工作。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理?？煽卦匆纛l大地電磁法數(shù)據(jù)處理首先是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，然后是進(jìn)行剔除非值、去噪、靜態(tài)校正及近場(chǎng)校正等處理，再進(jìn)行反演成像。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

反演解釋主要包括以下幾種方法：二維Bostick變換、二維OCCAM反演、二維快速松弛RRI反常方法等。

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況。我國(guó)西南地區(qū)某特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)15000m，山間溝谷發(fā)育，地表第四第覆蓋厚，露頭基巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重，出露地層主要以三疊系、二疊系和石炭系為主，巖性以砂泥巖和石灰?guī)r為主。根據(jù)工區(qū)的地球物理特征，巖體較破碎、軟弱或巖溶發(fā)育的電阻率低于1000Ω·m，完整的巖體電阻率基本大于2500Ω·m?；谝陨系刭|(zhì)和地球物理特征分析發(fā)現(xiàn)，完整巖體與破碎、軟弱或巖溶發(fā)育的巖體之間存在著電性差異，這為開展CSAMT法提供了前提條件。

2.2 工作方法。隧道勘探采用V8多功能電法儀，測(cè)區(qū)視電阻率為30Ω·m～10000Ω·m，測(cè)線測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距20m，磁探頭方向與AB供電極垂直，收發(fā)距7km，工作頻率為10Hz～9000Hz，發(fā)射電流為4A～10A，測(cè)深點(diǎn)221個(gè)。

圖1　可控源音頻大地電磁法數(shù)據(jù)處理流程較圖

2.3 成果分析。隧道所解釋的不良地質(zhì)體包括斷層、斷層破碎帶、軟弱帶、含水或富水巖體等，在CSAMT反演斷面圖中可以看出，不良地質(zhì)體顯示為團(tuán)塊狀或條帶狀低阻等特征。（1）斷層分析。如圖2所示，在測(cè)線429+500～429+950段視電阻率在75Ω·m～250Ω·m之間，整體電阻率比較低，洞射經(jīng)過(guò)位置電阻率變化比較大，WT1 和WT2電阻率異常明顯，分析為巖性接觸部位，推斷在測(cè)線429+900段存在一個(gè)含水?dāng)鄬印＝Y(jié)合附近鉆探資料驗(yàn)證，該處為斷層帶，巖性以灰?guī)r構(gòu)造、角礫巖為主，裂隙發(fā)育，巖體破碎。（2）軟弱、破碎帶分析。如圖3所示，該段洞身位置表現(xiàn)為低阻特征，電阻率變化強(qiáng)烈，等值線扭曲變形，推測(cè)洞身經(jīng)過(guò)的地層為軟弱、破碎的含水巖體。（3）圍巖分級(jí)。根據(jù)該隧道的CSAMT法反演斷面圖，結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)、鉆探、并結(jié)合工區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、地形條件進(jìn)行綜合分析，將隧道洞身進(jìn)行圍巖分級(jí)，級(jí)別分別從III～I(xiàn)V級(jí)，分段顯示隧道洞身的圍巖級(jí)別有助于隧道施工過(guò)程中的提前預(yù)警。

結(jié)語(yǔ)

可控源音頻大地電磁法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在深埋長(zhǎng)隧道勘查中具有良好的應(yīng)用空間。本文從CSAMT的原理出發(fā)，分析V8多功能電法儀器的特征和數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)實(shí)際資料進(jìn)行反演可以看出，CSAMT能有效識(shí)別地下破碎帶、軟弱地層和含水地層，應(yīng)用效果顯著。

圖2　CSAMT法反演斷層成果圖

圖3　CSAMT法反演軟弱、破碎地層

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