安 鑫

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 昌吉 831100)

1 概述

目前我國國內(nèi)的引調(diào)水工程(南水北調(diào)第一期工程隧洞最大埋深為1 100 m、滇中引水工程隧洞最大埋深為1 450 m)埋深在300～600 m，埋深普遍較大，對于此類工程的勘察手段比較局限，常規(guī)的地震方法勘探深度不夠，電法信息比較單一，很難直觀判斷洞線附近的地層變化情況，而EH4音頻大地電磁法則能夠較好解決這一問題，EH4法可根據(jù)勘測精度要求，合理布置測點(diǎn)，對于異常部位亦可加密測點(diǎn)，測試成果可通過suffer生成等ρs斷面圖，可以比較直觀的判斷洞線附近的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況。對于后期的隧洞施工，特別是TBM施工的隧洞[3]，掌子面附近無足夠空間進(jìn)行超前探測試時，通過地表的EH4測試，結(jié)合掌子面附近的工程地質(zhì)情況，經(jīng)綜合分析可為施工方提供掌子面前方工程地質(zhì)條件判斷。

2 方法原理

EH4支持音頻大地電磁測深(AMT)和可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)[4]， 是一種部分可控源與天然場源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)[5]，其野外采集工作布置示意見圖1。

當(dāng)天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時，地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)的作用，會包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息[6]。而由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度[7]，因此，大地電磁測深通過研究地表采集電磁數(shù)據(jù)能夠反演地下不同深度介質(zhì)電阻率分布信息[8]。地下不同介質(zhì)的視電阻率ρ和f頻率的關(guān)系用趨膚深度[9]δ表示，其計算公式見式(1)：

圖1 EH4野外數(shù)據(jù)采集示意

(1)

3 工程實(shí)例

3.1 EH4在引調(diào)水工程前期勘察中的應(yīng)用實(shí)例

某引水工程的引水隧道埋深較大，全線主洞線埋深為200～600 m，沿線跨越不同的地貌單元，地層巖性也變化較大，為查清沿線的地層巖性接觸帶和隧洞線上發(fā)育規(guī)模較大斷層帶的發(fā)育情況[10]，在遙感解譯和區(qū)域地質(zhì)資料分析基礎(chǔ)上，對于洞線附近的可能存在斷層的樁號段進(jìn)行了EH4測試，確定主洞線附近巖性特征及完整性。通過物探測試，對于異常部位布置鉆孔進(jìn)行驗證，進(jìn)一步提高工程的勘探精度。

1) 1#EH4測試剖面

1#測試剖面長為350 m，設(shè)計洞線埋深為410 m，該段區(qū)域構(gòu)造較復(fù)雜，大小交錯。通過測試發(fā)現(xiàn)，50 m以上普遍為視電阻率小于200 Ω·m的低阻地層，在剖面樁號100～200 m處，從地表向下延伸至450 m發(fā)育一個條帶狀的低阻異常帶，視電阻率在50～350 Ω·m，推測為地層擠壓所形成斷層破碎帶；低阻體左右兩側(cè)的地層視電阻率從低阻從350 Ω·m逐漸增大到2 500 Ω·m，推測遠(yuǎn)離破碎帶，巖體逐漸完整。為查明洞線附近的巖性完整性在剖面樁號210 m處布置ZK1，鉆孔揭露，0～50 m為碎石土，50～300 m巖體破碎，且其中夾雜斷層泥，300 m以下巖體較完整。綜合分析洞線附近巖體較破碎，施工時需提前做好支護(hù)和排水(見圖2所示)。

圖2 1#EH4測試剖面示意

2) 2#EH4測試剖面

2#測試剖面長為1 640 m，設(shè)計洞線埋深為550 m，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合地表巖性，推測在剖面樁號500 m處可能為巖性分界線。通過測試發(fā)現(xiàn)，剖面樁號0～300 m自上而下為相對高阻地層，視電阻率在500～1 800 Ω·m；剖面樁號300～800 m有一低阻帶呈V字型向深部地層延伸到約650 m處，經(jīng)過設(shè)計洞線位置，視電阻率在200～500 Ω·m，推測為斷層破碎帶或巖體裂隙較發(fā)育；剖面樁號1 100 m附近有一斜向下的視電阻率分界線向地層深部延伸，其左地層視電阻率相對較高，在500～1 200 Ω·m；其右地層視電阻率相對較低，在100～400 Ω·m，推測為巖性分界線。在剖面樁號 1200 m布置鉆孔ZK2，根據(jù)鉆孔揭露，孔深360 m以上為泥質(zhì)砂巖，360～370 m為泥質(zhì)砂巖和凝灰?guī)r分界面，370 m以下為凝灰?guī)r，和物探測試成果吻合較好(見圖3所示)。

圖3 2#EH4測試剖面

3.2 EH4在引調(diào)水工程隧道超前探的應(yīng)用實(shí)例

1) 推測斷層超前探驗證成果

測試剖面長為460 m，設(shè)計隧洞埋深為300 m，根據(jù)施工現(xiàn)場編錄，剖面樁號60 m(掌子面)以前的圍巖類別為Ⅳ類圍巖，到掌子面后洞頂有線狀流水。EH4測試成果顯示，剖面樁號70～410 m為相對低阻帶，視電阻率在250～350 Ω·m，推測巖體較破碎；兩側(cè)視電阻率相對較高，在400～800 Ω·m，推測巖體相對較完整。通過掌子面掘進(jìn)記錄，剖面樁號60～100 m、360～420 m巖性完整性相對較差，局部含斷層泥，圍巖類別為Ⅴ類圍巖，其余測試段圍巖類別為Ⅳ類圍巖(見圖4所示)。

2) 推測巖性分界線超前探驗證成果

測試剖面長為410 m，設(shè)計洞線埋深為340 m，根據(jù)施工現(xiàn)場編錄，剖面樁號220 m以前的圍巖類別為Ⅲ類圍巖，220～250 m(掌子面)巖性發(fā)生變化，由凝灰質(zhì)砂巖變?yōu)樘假|(zhì)粉砂巖、頁巖，掌子面附近檢測到甲烷氣超標(biāo)，為查明施工未完成洞段的碳質(zhì)粉砂巖、頁巖的分布位置，特別是甲烷氣含量超標(biāo)段的位置進(jìn)行了相關(guān)測試。EH4測試成果顯示，剖面樁號0～220 m為相對高阻區(qū)，視電阻率在1 400～3 800 Ω·m，推測巖體較完整；剖面樁號230～250 m為相對低阻帶，巖體的視電阻率在800～1 300 Ω·m與掌子面的掘進(jìn)情況相符；剖面樁號在250～320 m巖體視電阻率在300～800 Ω·m，為低阻異常區(qū)，推測該段巖體破碎，為甲烷氣含量超標(biāo)段；剖面樁號在320～410 m和230～250 m的特性相同，推測巖性變化帶。根據(jù)后序的掘進(jìn)記錄顯示，甲烷氣含量超標(biāo)段和EH4測試成果吻合較好(見圖5所示)。

圖4 推測斷層超前探驗證成果示意

圖5 推測巖性分界線超前探驗證成果示意

4 結(jié)語

EH4在前期工程勘察中的測試成果，只是經(jīng)過鉆孔驗證，在巖體低阻和高阻分界線處布置鉆孔驗證，驗證結(jié)果較片面，如果鉆孔驗證到斷層，則認(rèn)為相對低阻帶的巖性都相對較破碎，但通過隧洞掘進(jìn)記錄顯示，EH4測試成果中高阻和低阻的分界線上確實(shí)存在巖體破碎或完整性相對較差的情況，但是低阻范圍中也可能存在巖體相對較完整的區(qū)域。

通過EH4測試成果在引調(diào)水工程隧洞的勘察和施工中的驗證情況來看，EH4在測試大埋深隧道的勘察中是一種比較可靠的方法[11]，可以為類似工程提供一定的借鑒。