綜合物探技術在鐵路隧道勘察中的應用研究

韓 松 劉黎東 張連偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

隧道勘察歷來是物探的一項重點工作,也是難點工作之一。近年來,隨著高速鐵路的建設,長大隧道越來越多。隧道覆蓋層厚度、巖層風化程度、巖層界限、地質構造以及地下水情況等成為亟待解決的課題。隧道勘察探尋的對象主要是地表至洞身以下一定范圍,高分辨率的地球物理探測技術不僅可以了解地表或近地表的地質現(xiàn)象,還可以獲得其他方法難以獲得的深部地質信息,同時具有經(jīng)濟和快捷的特點,在現(xiàn)代地質勘察中,尤其是在長大隧道勘察方面發(fā)揮的作用越來越大[1]。

本文以大黑山隧道勘察為例,探討了天然源大地電磁測深(EH-4)和地震折射法在隧道勘察過程中的具體應用和實際效果。

1 方法原理

1.1 天然源大地電磁測深原理

本次物探工作使用的天然源大地電磁測深(EH-4)大地電磁儀是由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合推出的EH-4型StrataGem電磁系統(tǒng),能觀測到距地表幾米至800 m內地質斷面的電性變化信息?；趯嗝骐娦孕畔⒌姆治鲅芯?可以應用于地下水研究、環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)與地熱勘察及工程地質調查等。該系統(tǒng)適用于各種不同的地質條件和比較惡劣的野外環(huán)境。

其方法原理與傳統(tǒng)的MT法一樣,利用宇宙中的太陽風、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。該一次場是平面電磁波,垂直入射到大地介質中。由電磁場理論可知,大地介質中將會產(chǎn)生感應電磁場,此感應電磁場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水平分量的比值。有

可得

式中:f為頻率/Hz;ρ為電阻率/Ω·M;E為電場強度/(mV/km);H為磁場強度/nT;φE為電場相位;φH為磁場相位/(m·rad)。必須指出,此時的E與H,應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場,簡稱總場。在電磁理論中,把電磁場(E、H)在大地中傳播時,其振幅衰減到初始值1/e時的深度,定義為穿透深度或趨膚深度(δ)

由上式可知,趨膚深度(δ)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)變化,測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說,頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征,頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。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,就可確定出大地的地電特征和地下構造,這就是天然源大地電磁測深(EH-4)大地電磁儀觀測系統(tǒng)的簡單原理。

1.2 地震折射法原理

地震勘探是通過人工激發(fā)的地震波向下傳播,當遇到波阻抗差異界面產(chǎn)生折射或反射波,利用地震儀接收地震波,分析地震波在介質中的傳播路徑、傳播速度,進而推測地下地質體分布的一種物探方法。

當波在地下介質層中傳播并遇到分界面時,會產(chǎn)生反射、折射和透射。在工程地質勘察中常用淺層折射波法進行探測,它是僅利用折射波的初至時間來研究地下地質情況的方法。即由人工激發(fā)的地震波在地下傳播的過程中,遇到下層介質波速大于上覆介質波速的速度界面時,如波的入射角等于臨界角的情況,則其傳播方向發(fā)生改變且沿界面下沿滑行,從而在界面的上覆介質中產(chǎn)生折射波。通過研究在地面觀測到的折射波到達時間與該點相對于激發(fā)點之間的距離關系,可推斷地質結構特征。

2 工作方法

2.1 天然源大地電磁工作方法

天然源大地電磁EH-4電磁測深法,野外工作采用的方法是連續(xù)電磁陣列剖面法CEMAP(Continued Electromagnetic Array Profiling)。在每一個測點進行張量測量,同時觀測沿測線方向的電場、磁場和垂直測線方向電場和磁場,并且,沿測線方向的電偶極子的長度等于點距,兩個測點沿測線方向的電偶極子首尾連接,實現(xiàn)CEMAP法的連續(xù)觀測。

工作布置如圖1所示。

(1)觀測點的布置:測點采用RTK放點,要求點位差小于0.5 m。

(2)在開展工作之前首先要做平行試驗,檢測儀器是否工作正常,要求兩個磁棒相隔2～3 m,平行放在地面,兩個電偶極子也要平行。觀測電場、磁場通道的時間序列信號。

(3)電極的布置技術:如圖1所示,共用4個電極,每兩個電極組成一個電偶極子。為了便于對比電場信號,其長度都要相等。與測線方向一致的電偶極子叫做X-Dipole;與測線方向垂直的電偶極子叫做YDipole。為了保證Y-Dipole電偶極子的方向與X-Dipole的相互垂直,需用羅盤儀確定方向。

(4)磁棒布置技術:磁棒離前置放大器應大于5 m。為了消除人為干擾,兩個磁棒要埋在地下至少5 cm。用羅盤定方向使其相互垂直且水平,所有的工作人員要離開磁棒至少10 m,盡量選擇遠離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。

(5)AFE(前置放大器)布置技術:電、磁道前置放大器放在測量點上,即兩個電偶極子的中心,為了保護電、磁道,前置放大器應首先接地。

(6)主機布置技術:主機要放置在遠離AFE(前置放大器)至少20 m的一個平臺上,而且操作員最好能看到AFE和磁棒的布置。

2.2 地震折射法工作方法

本次工作采用美國Geometrics公司生產(chǎn)的NZ-72地震儀,該儀器具有靈敏度高,動態(tài)范圍大,分辨率高,性能穩(wěn)定等特點。采樣時間256 ms,采樣間隔為0.25 ms,采樣率為1024,道間距10 m,最大炮檢距80 m,每排列24道,錘擊震源。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 EH-4數(shù)據(jù)處理流程

EH-4系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)綜合處理和解釋的能力,特別是其現(xiàn)場處理功能,可以使用戶在現(xiàn)場看到測量結果并根據(jù)它調整野外測量參數(shù),不會影響野外施工。數(shù)據(jù)處理主要由IMAGEM程序控制,編輯過程是人機聯(lián)作形式,對某些不光滑的頻率點的數(shù)據(jù)進行修改使頻率曲線趨于光滑。一般認為這些數(shù)據(jù)點是干擾所造成,對其修改在理論上是成立的,而且使得到的二維解釋電阻率更接近大地真實電阻率。一維處理將時間數(shù)據(jù)變換為頻率數(shù)據(jù),得到振幅、相位及相關曲線,對功譜文件數(shù)據(jù)進行一維反演即可得到電阻率曲線。二維數(shù)據(jù)處理:對連續(xù)幾個測點進行聯(lián)合處理,在完成EMAP靜態(tài)校正及平滑處理后,最終獲得構造電阻率斷面。數(shù)據(jù)處理過程如圖2。

3.2 地震折射資料處理流程

折射資料處理流程是先讀出各原始記錄的初至時間,繪制時距曲線,然后利用T0法求取各層速度及速度層的埋深,并利用各層的彈性波速度并結合鉆探、地質測繪和地形地貌,劃分覆蓋層、基巖風化帶,推斷可能的地質異常體。流程如圖3。

圖2 EH-4系統(tǒng)工作流程

圖3 地震折射處理流程

4 大黑山隧道應用實例

大黑山隧道屬于改建鐵路白阿線白城至烏蘭浩特段,位于內蒙古烏蘭浩特市郊區(qū)靠山屯村附近,全長2 000 m,進口里程DK74+850,出口里程DK76+850。

工區(qū)屬于剝蝕丘陵及丘前緩坡地形,沖溝較發(fā)育,地形起伏較大,植被較發(fā)育(多為種植林),局部覆蓋第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)粉質黏土、粉土,以及細、粗角礫土,巖性主要為侏羅系上統(tǒng)(J3)凝灰?guī)r,沿線局部出露于地表。

4.1 大黑山隧道天然源大地電磁(EH-4)

天然源大地電磁(EH-4)成果中使用不同顏色進行電阻率分級,紅色為低阻,對應軟弱巖層或者黃土等第四系覆蓋層、巖體破碎區(qū)、地下水聚集區(qū);黃色為中低阻,巖石完整性較差,裂隙發(fā)育;白色為中阻,巖石較完整,局部發(fā)育裂隙;藍色為高阻,巖體完整。

對物探異常解釋主要依據(jù)的原則為:隧道的施工可能從大里程到小里程、也可能從小里程到大里程,最危險處應為鄰近高低阻的隧道段落,即高低阻變化處,最接近可能存在(承壓的)地下水的位置,容易出現(xiàn)塌方、冒頂、突水突泥等地質災害,重點標識為I類異常,大致對應于地質圍巖的Ⅴ、Ⅳ級圍巖;低阻區(qū)域圈定為II類異常,大致對應于地質圍巖的Ⅳ圍巖,該類異常臨近高低阻變化的明顯低阻,也是容易出現(xiàn)危險區(qū)域,圍巖的完整性差。施工穿越明顯高低阻變化處后,地下水基本得到釋放,危險性顯著降低。

圖4為大黑山隧道及旁測線天然源(高頻)大地電磁(EH-4)物探成果圖的局部,黑色直線為洞身位置。DK75+650～DK75+850段洞身通過圍巖為相對中阻,推斷圍巖完整性一般。DK75+725～DK75+800段洞身位于軟硬基巖分界處,施工時應加以重視。DK75+950～DK76+000段 、DK76+075～DK76+125段洞身處圍巖,電阻率等值線變化劇烈,推測圍巖破碎、含水,分別定義為物探異常WT1-2,WTI-3,施工時應加以注意。洞身DK76+025處呈現(xiàn)自上至下的低阻區(qū)域,電阻率等值線呈現(xiàn)豎向走勢,推斷為斷層的表現(xiàn),定義為斷層F1。在此段右40 m加布一條旁測線。在DK76+025右40 m處也出現(xiàn)斷層反應,定義為斷層F1,從而驗證了隧道中線DK76+025處斷層的準確性。

4.2 大黑山隧道地震折射

圖5為大黑山隧道地震折射物探成果的局部。上覆風化凝灰?guī)r、碎石土縱波速度為1.4～1.8 km/s,下層凝灰?guī)r縱波速度為4.0～4.4 km/s,其中在DK76+000～DK76+060段出現(xiàn)一縱波波速低速帶,下層凝灰?guī)r縱波速度為2.8 km/s,推斷為斷層F1的表現(xiàn),從而驗證了天然源大地電磁(EH-4)的勘察結果。

圖4 大黑山隧道及旁測線EH-4物探成果(局部)

圖5 大黑山隧道地震折射物探成果(局部)

依據(jù)物探成果布置的鉆孔位于DK76+045左7 m處,鉆孔編號10-ZD-546,孔深40.2m。0～1.6 m,粉質黏土;1.6～5.7 m全風化凝灰?guī)r,巖心呈塊狀;5.7～25 m強風化凝灰?guī)r,巖心呈塊狀;25 m以下為弱風化凝灰?guī)r,裂隙發(fā)育,較破碎。鉆孔資料較好的吻合了天然源大地電磁以及地震折射的勘察成果,說明此次物探工作是非常成功的。

5 結論

天然源大地電磁(EH-4)對于埋深較淺(最大埋深87 m)隧道的斷層構造勘察是有效的。

天然源大地電磁(EH-4)、地震折射法等綜合物探方法在該隧道勘察中的應用是成功的,對鐵路選線提供了有力的地質依據(jù),滿足了地質任務要求,并指導了鉆孔的布設,基本探明了本隧道的巖層界限、地質構造等情況,對類似地區(qū)的鐵路地質勘探工作具有指導意義。

天然源大地電磁(EH-4)中,使用不同顏色進行電阻率分級;對于可能容易出現(xiàn)塌方、冒頂、突水突泥等地質災害部分做出了明確的標示,對設計和施工具有較強的指導意義,可有效降低地質災害發(fā)生幾率。對相似地區(qū)具有一定的指導意義。

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