CSAMT方法在隧道工程前期勘探中的運(yùn)用與研究

周 偉

（1.黑龍江省有色金屬地質(zhì)勘查707隊(duì)，黑龍江綏化150000；2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000）

·隧道與建設(shè)工程·

CSAMT方法在隧道工程前期勘探中的運(yùn)用與研究

周 偉*1，2

（1.黑龍江省有色金屬地質(zhì)勘查707隊(duì)，黑龍江綏化150000；2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000）

CSAMT實(shí)際是一種頻率測(cè)深方法，屬于交流電法的一種。CSAMT法是根據(jù)電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng)，即高頻電磁場(chǎng)穿透淺，低頻電磁場(chǎng)穿透深的規(guī)律進(jìn)行工作，通過(guò)觀測(cè)人工（可控）場(chǎng)源在大地中激勵(lì)的電磁場(chǎng)的頻率特性來(lái)研究地電參數(shù)沿深度的變化。近年來(lái)此方法在工程勘探領(lǐng)域得到很好的利用和發(fā)展，為指導(dǎo)深部工程勘探提供很好的指向性。

CSAMT；地球物理；隧道

本次物探工作采用可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)，目的查明隧道通過(guò)地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)等，具體對(duì)斷層及褶皺帶解譯出其產(chǎn)狀、斷層破碎及影響帶寬度、對(duì)風(fēng)化程度進(jìn)行劃分；分析不良地質(zhì)（主要指巖溶和采空區(qū)）的分布規(guī)律、范圍、規(guī)模及特征。

1 地形、地貌、工程地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地形、地貌及工程地質(zhì)特征

隧道區(qū)域由于受地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)與內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力長(zhǎng)期作用，造成地形東低西高，東端為汾河沖洪積傾斜平原，西部屬呂梁山余脈太原西山。區(qū)域內(nèi)地層有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組，石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及第四系松散層。區(qū)域大地構(gòu)造位于呂梁太行斷塊之內(nèi)，東端為晉中新裂陷中的太原斷陷，西部為五臺(tái)山塊陷中的古交傾斜地塊；隧道區(qū)域內(nèi)主要有璜廠正斷層和王封正斷層2個(gè)區(qū)域性斷層。

1.2 地球物理特征

測(cè)區(qū)出露有新生界、二疊系、石炭系、奧陶系地層，根據(jù)物探資料統(tǒng)計(jì)分析，各地層巖性在電阻率方面存在一定差異，具備開(kāi)展地球物理勘探的前提條件，主要地層巖性及物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 袁家莊隧道地層巖性及物性參數(shù)表

2 外業(yè)工作布置

CSAMT測(cè)量采用赤道偶極裝置進(jìn)行測(cè)量，即使用水平電偶極源供電，在平行發(fā)射偶極AB中垂線兩邊張角各30°的梯形區(qū)域內(nèi)沿測(cè)線方向逐點(diǎn)觀測(cè)電場(chǎng)分量Ex的振幅和相位及與之正交的水平磁場(chǎng)分量Hy的振幅和相位，從而計(jì)算出卡尼亞視電阻率和阻抗相位，測(cè)量裝置見(jiàn)圖1。

3 數(shù)據(jù)處理

圖1 CSAMT測(cè)量里外裝備示意圖

由于野外資料采集在較強(qiáng)干擾下進(jìn)行，因此我們要求每個(gè)頻點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)塊數(shù)足夠多，最多重復(fù)53次，然后利用軟件根據(jù)曲線的總體趨勢(shì)將干擾大的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選，然后組剖進(jìn)行近場(chǎng)校正，靜態(tài)校正、地形校正，進(jìn)而進(jìn)行一維、二維反演，反演結(jié)果達(dá)不到預(yù)期目的時(shí)又返回到靜態(tài)校正一步，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，直到反演結(jié)果能用于地質(zhì)解釋為止。

3.1 靜態(tài)校正

本次野外原始數(shù)據(jù)靜態(tài)校正試驗(yàn)了3種校正方法，即中值濾波、空間濾波、EMAP濾波，根據(jù)靜態(tài)校正效果，最終選取了空間濾波進(jìn)行靜態(tài)校正。

3.2 反演成圖

經(jīng)上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理后，采用美國(guó)EMI公司的二維圓滑模型RM2d軟件進(jìn)行反演，最終繪制出反演電阻率斷面圖。資料分析時(shí)，我們分別繪出測(cè)線的一維反演斷面圖及二維反演電阻率斷面圖，并將反演結(jié)果換算成海拔深度，以確定地形對(duì)地下電性分布的影響程度。

4 綜合解釋成果

結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果和其它地質(zhì)鉆孔資料，對(duì)一維、二維反演電阻率斷面圖進(jìn)行綜合分析，按上述物探資料解釋依據(jù)劃分地層，推斷斷層位置、斷層破碎帶及影響寬度，圈定物探異常。依據(jù)二維反演電阻率斷面圖電性分布特性，把袁家莊隧道右線分5段進(jìn)行分析解釋，以下為隧道右線及左線各段的解釋成果。

4.1 AYK2+425～AYK4+300段

二維反演電阻率斷面圖中自地表至洞身以下，電性呈現(xiàn)為高低高3層電性分布特征：標(biāo)高在1250m以上反演電阻率值125～150Ω·m，推斷為第四系及二疊系地層電性反映；標(biāo)高1250～1150m反演電阻率值在100～125Ω·m之間，推測(cè)為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂巖、泥巖、煤系地層、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r互層的電性反映。標(biāo)高在1150～1000m之間地層反演電阻率值在300～500Ω·m，推測(cè)為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)石灰?guī)r夾有泥灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、夾石膏角礫狀泥灰?guī)r的地層電性反映；標(biāo)高在1000m至洞身位置以下，地層反演電阻率值大于750Ω·m，推測(cè)為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)以石灰?guī)r、灰?guī)r為主地層，該段泥灰?guī)r厚度不大，圍巖較穩(wěn)定。

在洞身位置AYK3+300附近，一維、二反演電阻率等值線扭曲，推斷該異常為斷層的反映，定義為F4斷層，斷層傾向西，斷層破碎帶及影響寬度約100m。該斷層在旁測(cè)線AZK3+012.5～AZK3+537.5二維反演電阻率斷面圖中也有類似異常反映（異常形態(tài)見(jiàn)圖2），綜合分析2條測(cè)線的異常，斷層走向近南北向。

圖2 F4斷層二維反演電阻率異常形態(tài)

AYK2+740～AYK2+875段二維反演電阻率等值線下凹，等值線分布相對(duì)均勻，洞身位置電阻率750～1000Ω·m，推斷該處為向斜構(gòu)造核部，巖石破碎，定義為WL-2異常，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意（見(jiàn)圖3）。

AYK2+490～AYK2+540、AYK3+500～AYK3+ 625段，分別在標(biāo)高1150、1250m處，二維反演電阻率小于125Ω·m，呈明顯的低阻團(tuán)塊異常，推測(cè)為煤田采空塌陷區(qū)的反映，分別定義為CKL-1、CKL-2異常。其距洞身大于100m，對(duì)隧道施工影響不大。

4.2 AYK4+300～AYK6+200段

二維反演電阻率斷面圖中大部分顯示低、高2層電性層，表層反演電阻率值小于100Ω·m推測(cè)為第四系黃土層；電阻率分布在150～250Ω·m，推斷為石炭系上統(tǒng)泥巖、砂巖、煤系地層、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)地層砂巖、泥巖、灰?guī)r互層的反映；電阻率分布在250～500Ω·m，推斷為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)地層電性反映，深部電阻率大于500Ω·m的地層，推斷為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)地層即洞身圍巖的電性反映。

圖3 向斜構(gòu)造二維反演電阻率異常形態(tài)

洞身位置AYK4+860處，一維、二維反演電阻率等值線密集扭曲變形，在旁測(cè)線上有類似的異常反映（見(jiàn)圖4），推測(cè)該異常為斷層的反映，定義為F5斷層，斷層傾向東，斷層破碎帶及影響寬度約50m。綜合分析兩條測(cè)線的異常形態(tài)，推斷斷層走向近南東。

圖4 F5斷層二維反演電阻率異常形態(tài)

AYK4+600～AYK5+500段洞身處反演電阻率值約750Ω·m，呈相對(duì)低阻異常反映，推測(cè)該區(qū)段巖石破碎，定義為WL-3異常，巖溶發(fā)育，受F5斷層影響，地層存在地下水，施工時(shí)防止坍塌、突水。

在AYK5+850～AYK6+020段反演電阻率等值線有密集變陡現(xiàn)象，在隧道洞身附近等值線下凹，推測(cè)隧道洞身處巖石裂隙發(fā)育，定義為WL-4異常。

在AYK4+835～AYK4+920段，二維反演電阻率斷面圖中，標(biāo)高1245m附近存在相對(duì)高阻異常，推測(cè)為煤田采空區(qū)，定義為CKH-1異常。

在AYK5+355～AYK5+520段，二維反演電阻率斷面圖中，在標(biāo)高1230m附近有一鼻狀高阻異常，推測(cè)為煤田采空區(qū)，定義為CKH-2異常。

在AYK5+665～AYK6+020段，二維反演電阻率斷面圖中，標(biāo)高在1180m附近有一高阻異常，反演電阻率值大于1000Ω·m，推測(cè)為采空區(qū)，定義為CKH-3異常。

AYK4+320～AYK4+520段，二維反演電阻率斷面圖，在標(biāo)高1180m附近，存在低阻團(tuán)塊狀異常，推斷為奧陶系灰?guī)r內(nèi)巖溶較發(fā)育區(qū)，定義為YR-1異常。

4.3 AYK6+200～AYK9+600段

二維反演電阻率斷面圖中，由地表向下電阻率呈由低到高的分布特性，表層反演電阻率值100～150Ω·m，推測(cè)為第四系黃土層的反映；黃土層下部電阻率分布在100～250Ω·m推斷為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂巖、泥巖、煤系地層、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)泥巖、砂巖、灰?guī)r互層的反映；電阻率為200～500Ω·m，推斷為奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)地層電性反映，深部至洞身深度大于700Ω·m的地層，推斷為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)地層電性反映。

該段中AYK6+710、AYK7+375、AYK8+485、AYK9+295處二維反演電阻率斷面圖中等值線扭曲，一維反演電阻率斷面圖中等值線陡立，顯示存在橫向電性不均勻，推斷該類異常為斷層的反映，分別定義為F6、F7、F8、F9斷層。F6斷層，傾向東，傾角較陡，斷層破碎帶及影響寬度約75m；F7斷層，傾向東，傾角較陡，斷層破碎帶及影響寬度約100m，該斷層與地質(zhì)調(diào)查賽莊正斷層相對(duì)應(yīng)；F8斷層，傾向西，斷層破碎帶及影響寬度約200m；該斷層與地質(zhì)調(diào)查王封正斷層相對(duì)應(yīng)；F9斷層，傾向東，傾角較陡，斷層破碎帶及影響寬度約50m。斷層F7、F8在左線的二維反演電阻率斷面圖中有類似的異常反映，圖5為F7、F8在2條測(cè)線二維反演電阻率斷面圖中的異常形態(tài)。

在AYK6+970～AYK7+470段二維反演電阻斷面圖顯示地層呈現(xiàn)向斜構(gòu)造形態(tài)，洞身位于反演電阻率值小于750Ω·m的區(qū)域，異常形態(tài)見(jiàn)圖6，推斷圍巖為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)地層，巖石破碎，巖溶發(fā)育，定義為WL-5異常，受F7斷層影響，含有地下水。

AYK6+355～AYK6+560段標(biāo)高在1260m附近，二維反演電阻斷面圖存在低阻團(tuán)塊異常，反演電阻率小于75Ω·m，推測(cè)為煤田采空區(qū)的反映，定義為CKL-3異常。

圖5 F7、F8斷層二維反演電阻率異常形態(tài)

圖6 F7斷層處向斜構(gòu)造二維反演電阻率異常形態(tài)

AYK7+050～AYK7+160段標(biāo)高在1240m處，二維反演電阻斷面圖存在低阻團(tuán)塊異常，反演電阻率小于100Ω·m，推測(cè)為煤田采空區(qū)的反映，定義為CKL-4異常。

AYK7+220～AYK7+370段標(biāo)高在1230m處，二維反演電阻率斷面圖存在鼻狀高阻異常，推測(cè)為煤田采空區(qū)的反映，定義為CKH-4異常。

AYK7+600～AYK7+735段標(biāo)高在1300m附近，二維反演電阻斷面圖存在低阻團(tuán)塊異常，反演電阻率小于100Ω·m，推測(cè)為煤田采空區(qū)的反映，定義為CKL-5異常。

煤田采空區(qū)距洞身在100m以上，對(duì)隧道洞身影響不大。

5 結(jié)論建議

5.1 結(jié)論

選擇合理物探工作方法，分析得本區(qū)的初步地質(zhì)概況：

（1）整個(gè)右線斷面自上而下大體地層為第四系地層、二疊系地層及石炭系地層、奧陶系地層，隧道洞身大部分位于奧陶系地層。

（2）物探圈定9條斷層，10個(gè)低阻煤田采空區(qū)、7個(gè)高阻煤田采空區(qū)；低阻異常6處、巖溶發(fā)育區(qū)3處。

（3）隧道施工中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害是斷層涌水、涌泥、巖溶水以及軟頂層塌方。

5.2 建議

建議對(duì)物探低阻異常鉆探驗(yàn)證，驗(yàn)證引起低阻異常的原因。對(duì)鉆孔開(kāi)展電測(cè)井工作，與物探統(tǒng)計(jì)巖層物性參數(shù)對(duì)比，以便準(zhǔn)確劃分巖層的電阻率分布，提高物探地層解譯精度。全線鉆探工作結(jié)束后，及時(shí)向物探提交鉆孔資料進(jìn)行復(fù)解，以提高資料解釋精度。可參考洞身附近電阻率的相對(duì)高低對(duì)隧道圍巖級(jí)別定性分析，但圍巖級(jí)別的劃分應(yīng)根據(jù)鉆孔聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定。建議在隧道施工期間開(kāi)展超前預(yù)報(bào)工作，以便對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提前采取措施。

[1]張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2005.

[3]劉寶興.路基工程新技術(shù)實(shí)用全書(shū)[M].北京：海潮出版社，2001.

[4]牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[5]李金銘.電法勘探方法發(fā)展概況[J].物探與化探，1996（4）.

Application and Research of CSAMT Method in the Early Exploration of Tunnel Project

ZHOU Wei1，2
(1.707 Teams of Nonferrous Metals Geological Prospecting Bureau of Heilongjiang Province，Suihua Heilongjiang 152000，China；2.College of Earth Science，Jilin University，Changchun Jilin 130061，China)

CSAMT is actually a kind of frequency sounding method which belong to one of AC electrical methods.CSAMT methods works according to the skin effect of electromagnetic induction，the regularity that electromagnetic induction has stronger ability for penetrating in low frequency electromagnetic field (LFEMF)than in high frequency electromagnetic field(HFEMF). CSAMT research the change of geo-electric parameters along the depth through observing frequency characteristic of electromagnetic field of artificial(controllable)field source excited in ground.In recent years，this method has been well used and developed in the field of engineering exploration，which provides a good direction for guiding the exploration of deep engineering projects.

CSAMT；geophysics；tunnel

P631.325

A

1004-5716(2016)12-0171-05

2016-04-22

2016-04-27

周偉（1984-），男（漢族），湖北咸豐人，工程師，現(xiàn)從事地球物探勘探找礦研究及有色金屬礦產(chǎn)勘查工作。