湯井田， 李鵬博， 肖 曉

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083； 2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 長沙 410083)

高頻大地電磁法及瞬變電磁法在隧道勘察中的應(yīng)用

湯井田1,2， 李鵬博1,2， 肖 曉1,2

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083； 2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 長沙 410083)

隧道前期地球物理勘察工作，主要是對路線附近的隱伏不良地質(zhì)體發(fā)育情況以及其附近巖溶或采空區(qū)進(jìn)行探測，高頻大地電磁法具有不受高阻屏蔽層、探測深度大以及效率高等特點(diǎn)，同時結(jié)合瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)用這些物探的方法能夠有效地提高對目標(biāo)區(qū)域的勘探問題的識別能力。探討了高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法(TEM)的工作原理及探測效果，并通過這兩種方法在福建某鐵路隧道勘察的應(yīng)用，分析及總結(jié)了兩種方法在隧道勘查中應(yīng)用的可行性及有效性。

高頻大地電磁法； 瞬變電磁法； 隧道勘查

0 引言

在鐵路建設(shè)中，隧道的修建極為常見且重要，而隧道所處位置一般位于地形復(fù)雜的山區(qū)。在鐵路及公路隧道挖掘過程中，常遇到充泥充水溶洞、采空區(qū)及其他不良地質(zhì)體，這些不良地質(zhì)體可能造成施工過程中的塌方等突發(fā)事件，是重大的安全隱患[1]。為了在隧道施工過程中減少坍塌等事故的發(fā)生，在隧道施工前需要查明附近地質(zhì)體的信息，以利于采取必要的措施對不良地質(zhì)體進(jìn)行處理，保證施工安全和工程質(zhì)量。在隧道前期地球物理勘查中常用方法有高密度電法，探測精度高，但探測深度淺[2]；淺層地震法容易受到地表層多次反射波的影響且受地形影響大[3]；地質(zhì)雷達(dá)受地形的影響大且探測深度淺[4]；高頻大地電磁法(EH-4)具有對復(fù)雜地形適應(yīng)性強(qiáng)，效率高，不受高阻層屏蔽，探測精度高等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。瞬變電磁法具有純二次場觀測，對低阻體敏感，受地形影響小等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。由于隧道勘察區(qū)域需要探測的深度較大以及周邊地形起伏等因素，筆者將高頻大地電磁法(EH-4)以及瞬變電磁法,應(yīng)用到福建某隧道前期地球物理勘察中，兩種方法互相補(bǔ)充、相互驗證，以達(dá)到勘察隧道周邊區(qū)域地質(zhì)情況的目的。

1 工作方法與技術(shù)

1.1 高頻大地電磁法(EH-4)

高頻大地電磁法(EH-4)原理是基于傳統(tǒng)的MT法，但其利用的頻率較高[11-13]，頻帶范圍為10 kHz～100 kHz。以天然場源為主要場源，一般情況下利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發(fā)場源(又稱一次場)，該場源是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，由電磁場理論可知，大地介質(zhì)中將會產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，它與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值。

(1)

由式(1)求得電阻率如式(2)、式(3)所描示。

(2)

(3)

式中：f是頻率(Hz)；ρ是電阻率(Ω·m)；E是電場強(qiáng)度(mV/km)；H是磁強(qiáng)度(nT)。

此時的E與H，應(yīng)理解為一次場和感應(yīng)場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部地層電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深地層電性特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可由視電阻率與相位分析介質(zhì)的地電特征和構(gòu)造。

1.2 瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Methods，TEM或TDEM)，其探測原理是利用不接地線圈 (或稱回線 )向地下發(fā)射一次瞬變磁場, 通常是在發(fā)射線圈上供一個電流方波，可在地下產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場分布, 在方波下降后沿下降的瞬時產(chǎn)生一個向地下傳播的一次場, 在一次場的激勵下地下介質(zhì)體將產(chǎn)生渦流, 其大小取決于地下介質(zhì)的導(dǎo)電程度。該渦流不能立即消失, 它將有一個過渡過程產(chǎn)生的二次磁場向地表傳播, 在地表接收線圈把二次磁場的變化轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓的變化[14-15]。該二次場的變化由于是在沒有一次場背景下觀測的純二次場，因此可以直接、有效地反映地下地質(zhì)體的電性分布情況。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 高頻大地電磁法(EH-4)

本次探測采用的EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，能觀測地表幾米至一千米內(nèi)的地質(zhì)斷面的電性變化信息。為了滿足探測深度的要求，采集頻率為10 Hz～99 KHz, 低頻段、中頻段、高頻段依次測量，中頻段與高、低頻兩個頻段存在頻率疊加。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低隨機(jī)噪聲干擾，采集過程選擇的疊加次數(shù)為10次。電極距設(shè)計為20 m，根據(jù)實(shí)際情況(地形、障礙物等因素)適當(dāng)改變極距大小。磁棒距離前置放大器大于5 m，為了消除人文因素干擾將兩個磁棒埋在地下5 cm以下，盡量選擇遠(yuǎn)離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。數(shù)據(jù)采集過程中通過各頻點(diǎn)相位，相關(guān)度的大小控制數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)野外采集的時間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，再現(xiàn)場進(jìn)行FFT變換，獲得電場和磁場虛實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)，對每一個測點(diǎn)進(jìn)行編輯，舍掉畸變的頻點(diǎn)，保留高質(zhì)量的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)[16-17]。進(jìn)行一維BOSTICK反演，將頻率轉(zhuǎn)換為深度。在一維反演的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二維帶地形反演，使用surfer軟件繪制電阻率等值線圖。

2.2 瞬變電磁法

本次隧道勘察中瞬變電磁法勘探使用加拿大鳳凰公司研制的V8多功能電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。綜合瞬變電磁法技術(shù)原理與探測要求，選擇大回線裝置，發(fā)射線框為200 m×200 m,接收框為10 m2磁線圈，發(fā)射頻率為5 Hz，發(fā)射電流為15 A～20 A?？騼?nèi)回線裝置存在邊框效應(yīng)影響，為消除其影響，通過理論計算及實(shí)驗，最終確定接收起始位置為發(fā)射框邊長1/3，將有效抑制邊框效應(yīng)影響。

將原始數(shù)據(jù)由瞬變電磁儀中存儲的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過專用程序處理轉(zhuǎn)化為計算全區(qū)視電阻率可用的特定數(shù)據(jù)格式，并剔除干擾畸變點(diǎn)。根據(jù)實(shí)測電位衰減時間響應(yīng)曲線,換算成視電阻率的時間曲線，一般可采用晚期場定義的視電阻率公式(5)計算。

(4)

(5)

其中：t為測道時間；M為發(fā)送磁矩；q為接收線圈的有效面積；V(t)為感應(yīng)電壓；對視電阻率進(jìn)行反演解釋(時深轉(zhuǎn)換)，將ρτ(t)曲線轉(zhuǎn)換成ρτ(h)曲線；ha表示視深度；ρ為電阻率值；t為記錄時間；μ0為磁導(dǎo)率,最后進(jìn)行視電阻率斷面圖、視電阻率平面圖等圖件繪制。

3 隧道勘察實(shí)例

3.1 工程概況

探測區(qū)域位于福建省龍巖市新羅區(qū)楊梅坑煤礦區(qū)內(nèi)，礦區(qū)處于龍巖山字型構(gòu)造脊柱北段區(qū)段，同時受緯向構(gòu)造帶及放射狀橫張斷裂影響，斷裂構(gòu)造與褶皺構(gòu)造發(fā)育，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，山間凹地兩側(cè)多形成裂隙密集帶，褶皺、斷層構(gòu)造。受區(qū)域構(gòu)造的影響，隧址區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造8條、2處巖層接觸帶和4處侵入接觸帶，構(gòu)造特征以擠壓破碎、蝕變破碎、裂隙帶為主。

根據(jù)已有資料了解到在此區(qū)域內(nèi)存在煤礦采空區(qū)，若采空區(qū)沒有即時進(jìn)行工程處理，其上覆巖層有時因為失去平衡而脫落，從而此區(qū)域巖層的連續(xù)性破壞，其電阻率值必然會產(chǎn)生相應(yīng)地變化。采空區(qū)的異常表現(xiàn)各異，一般在采空區(qū)處電阻率會高于周圍完整巖石的電阻率；若采空區(qū)充水或填充泥質(zhì)物質(zhì)時，則表現(xiàn)為低阻；充填塊狀巖石時表現(xiàn)為高阻。

3.2 高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法解釋

數(shù)據(jù)解釋主要結(jié)合異常體在高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法中的特征表現(xiàn)與實(shí)際的地質(zhì)資料進(jìn)行分析，判別異常區(qū)主要是根據(jù)電阻率值變化及電阻率等值線的形態(tài)等綜合因素考慮。圖1和圖2分別為勘察區(qū)域內(nèi)3號測線上的高頻大地電磁法(EH-4)視電阻率反演剖面圖和TEM視電阻率反演剖面圖。根據(jù)已知地質(zhì)資料，該測線橫跨煤礦第三區(qū)塊內(nèi)已知采空區(qū)。受采空區(qū)及煤系地層的影響，由圖1可知，測線斷面整體電阻率偏低；0 m至400 m間地表以下幾米至一百米以內(nèi)存在相對高阻層，視電阻率在視電阻率在50 Ω·m～300 Ω·m；高阻層之下有明顯的電性梯度帶，電阻率從幾十歐姆米到幾歐姆米，推測該電性梯度帶為充水采空區(qū)的頂部界面，底部界面約在340 m～400 m。由圖2可以看出，該剖面中間標(biāo)高440 m～560 m之間有個形態(tài)清晰、電性差異明顯的低阻異常，推測該低阻異常為富水的采空區(qū)的電性反映。

綜合高頻大地電磁法(EH-4)與瞬變電磁法的結(jié)果，兩者均觀測到地表附近電阻率較高，這與地表覆蓋電阻率較高的第四紀(jì)粉質(zhì)黏土及碎石相一致。對于采空區(qū)均呈現(xiàn)低阻異常顯示，推測為煤礦采空區(qū)充水所致，兩種方法的結(jié)果對于頂、底界面的范圍總體一致，且與已知的采空區(qū)的資料相吻合，兩種方法相互補(bǔ)充，相互驗證，對采空區(qū)探測進(jìn)行了準(zhǔn)確地評價。

圖1 3號線高頻大地電磁法(EH-4)反演剖面圖Fig.1 No.3 survey line the inversion profile Figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

圖2 3號線瞬變電磁法反演剖面圖Fig.2 No.3 survey line the inversion profile figure of transient electromagnetic method

圖3 1號線高頻大地電磁法(EH-4)反演剖面圖Fig.3 No.1 survey line the inversion profile figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

圖3為1號線高頻大地電磁法(EH-4)視電阻率反演剖面圖，從圖3中可以看出，320 m附近存在明顯的電性差異，結(jié)合已知地質(zhì)資料推斷該處為二疊系下統(tǒng)文筆山組(P1w)與童子巖組(P1t)的地層分界面，在電性上，右側(cè)童子巖組(P1t)整體表現(xiàn)為低阻特性，左側(cè)文筆山組(P1w)表現(xiàn)為相對高阻特性。在高程大于450 m的地層中，320 m～800 m區(qū)段整體視電阻率比較低，受煤層采空區(qū)的影響，局部呈現(xiàn)一個明顯的低阻區(qū)域，在這個低阻區(qū)域附近有煤礦開采的跡象，該低阻很有可能與其形成的富水采空區(qū)有關(guān)；0 m～300 m區(qū)段深部呈現(xiàn)高阻的特性，淺表受第四系覆蓋層及地表巖石風(fēng)化影響，呈現(xiàn)低阻的特性。圖4為2號線高頻大地電磁法(EH-4)測深視電阻率剖面圖，從圖4中可以看出，360 m處附近存在明顯的電性差異，形成了高阻與低阻的分界面，結(jié)合此區(qū)域已知地質(zhì)資料推斷此界面為二疊系下統(tǒng)文筆山組(P1w)與童子巖組(P1t)的地層分界面。0 m～360 m整體電阻率相對較高，推測巖石較為完整；360 m～800 m區(qū)段電阻率較低，主要是童子巖組以石英砂巖，局部夾煤層，其中500 m和720 m處存在兩個相對低阻，結(jié)合已知地質(zhì)及煤礦開采資料綜合分析，推測為富水的采空區(qū)及巷道。

圖4 2號線高頻大地電磁法(EH-4)反演剖面圖Fig.4 No.2 survey line the inversion profile figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

4 結(jié)論

通過上述在福建某隧道應(yīng)用煤礦采空區(qū)實(shí)驗，證明了高頻大地電磁法(EH-4)及瞬變電磁法的前期勘察結(jié)果可靠，這兩種方法對于采空區(qū)探測的應(yīng)用效果良好，探測的結(jié)果能夠很好反應(yīng)出采空區(qū)的位置，并表明在采空區(qū)的位置呈現(xiàn)出低阻區(qū)，說明隧道區(qū)域的采空區(qū)存在充水現(xiàn)象。

隧道區(qū)域煤礦采空區(qū)的很多地方由于充水呈低阻反映，瞬變電磁法對低阻體反映靈敏，因此瞬變電磁法對于充水區(qū)采空區(qū)探測有獨(dú)特的優(yōu)勢；EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)效率高，效率相對其他勘探方法較高。兩種方法探測深度相對較大，在中深度采空區(qū)探測時二者可以相互結(jié)合，相互驗證，提高對采空區(qū)探測的準(zhǔn)確性，減少采空區(qū)的危害。

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Applicationofhighfrequencyelectromagneticandtransientelectromagneticmethodinthetunnelexploration

TANG Jingtian1,2, LI Pengbo1,2, XIAO Xiao1,2

(1.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083， China;2.School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083， China)

In geophysical exploration for tunnel, the issue is mainly concentrated on bearing conditions of potential unfavorable geological body, karst and mined-out area near the tunnel line. High frequency electromagnetic are characterized by unshielded of high resistivity layers, large penetrating depth and high efficiency. Transient electromagnetic method has high resolution in low resistivity body. Integrated geophysical prospecting method can effectively improve the recognition ability of the target area. This paper introduces the principle and detection effects of high frequency electromagnetic(EH-4) and transient electromagnetic method(TEM). Based on the surveying results obtained with the two methods in a tunnel in Fujian province, the feasibility and validity of the two methods to prospecting tunnel is analyzed and summarized.

high frequency electromagnetic; transient electromagnetic method; tunnel exploration

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.04

2016-09-19 改回日期： 2016-11-09

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2014AA06A602)

湯井田(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電磁場理論和應(yīng)用、地球物理信號處理及反演成像等研究，E-mail：jttang@csu.edu.cn。

李鵬博(1991-)，男，碩士，主要從事電磁信號處理，Email:csulpb@163.com。

1001-1749(2017)05-0605-07