高密度電法及音頻大地電磁法在公路隧道勘察中的適用性分析及應(yīng)用

羅 術(shù)，彭 勇，劉陽飛，段明杰

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650041）

1 概述

在國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)平穩(wěn)增長的今天，交通運(yùn)輸工程的發(fā)展起到了極大推動(dòng)作用。我國國土中，山地和高原的面積約占陸地總面積的60%，隧道建設(shè)在交通工程中是避免不了的，隨著隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，深埋、超特長隧道的建設(shè)越來越常見，建設(shè)速度也在不斷加快，且面臨的地質(zhì)條件越加復(fù)雜[1]。這就要求我們?cè)谒淼篱_挖之前盡量做好勘察設(shè)計(jì)工作，為隧道施工提供充足、可靠的參數(shù)指導(dǎo)和技術(shù)保障。

地球物理勘探作為一種間接的勘探方法，它具有勘探成本低、工作效率高、分辨率較高、多信息等優(yōu)點(diǎn)，因而在隧道工程勘察中應(yīng)用極其普遍[2]。眾所周知，物探具有多解性，每一種物探方法有其適應(yīng)性和局限性，為了提高勘探的準(zhǔn)確性，首先應(yīng)結(jié)合勘探任務(wù)的地球物理特征，根據(jù)各種物探方法的適用性來選擇使用，必要時(shí)還應(yīng)有針對(duì)性地選取幾種物探方法組合使用，互相驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，最大限度地消除多解性，提高勘探精度[3-4]。

2 隧道工程中幾種常用的地面物探方法

隧道工程技術(shù)的不斷發(fā)展，促使工程物探技術(shù)不斷革新，其在隧道工程勘察中的應(yīng)用也在不斷的成熟與完善?；谒淼拦こ痰刭|(zhì)勘察的主要目的和建設(shè)環(huán)境，物探技術(shù)的運(yùn)用主要集中于電法勘探和地震勘探，然而地震勘探由于目前人工震源的限制，運(yùn)用的不夠廣泛，以電法勘探為主，具有代表性的方法包括高密度電阻率法和大地電磁法。

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法基于勘探目標(biāo)體與地下介質(zhì)間存在電性差異為前提，測量前在地表布設(shè)若干等間距（等斜距）電極，布設(shè)的電極既可作供電使用，也可作測量使用。測量時(shí)經(jīng)由主機(jī)選擇供電電極和測量電極的組合方式（即裝置排列方式），在程控式多路電極轉(zhuǎn)換器的控制作用下，通過供電電極向地下供入直流電，使之在地下形成穩(wěn)定的直流電場，同時(shí)利用測量電極觀測地下電場的分布特征及變化規(guī)律，包括穩(wěn)定電流場I和兩點(diǎn)間的電位差ΔU，就能得到地下相應(yīng)點(diǎn)的視電阻率ρs，其計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：K——測量系統(tǒng)的裝置系數(shù)。

采集完成后，再利用專門的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所測得的電場信息經(jīng)過進(jìn)行處理，得到勘探線位下方一定深度范圍內(nèi)比較直觀的地電剖面信息，結(jié)合電法勘探原理及相關(guān)地質(zhì)知識(shí)進(jìn)行分析、解譯。可判斷勘探剖面范圍的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性特征、不良地質(zhì)體特性以及隱伏礦產(chǎn)等[5]，是解決工程地質(zhì)及淺部礦產(chǎn)問題非常普遍而實(shí)用的地球物理勘探方法。

2.2 大地電磁法

大地電磁測深的基本原理基于電磁波的趨膚效應(yīng)，即是電磁波在地下介質(zhì)傳播時(shí)，不同頻率的波對(duì)應(yīng)不同趨膚深度。電磁波在介質(zhì)中傳播能量會(huì)隨著傳播距離的增大而衰減，公認(rèn)的，把電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)能量（振幅）衰減到原波能量1/e倍時(shí)的傳播深度定義為趨膚深度δ(單位:m)：

式中：ρ——地下介質(zhì)的電阻率,Ω·m；

f——電磁場諧變的頻率,Hz。

可以看出，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的電阻率值趨于穩(wěn)定時(shí)，勘探的趨膚深度與電磁波的頻率呈負(fù)相關(guān)，電磁波的高頻成分主要反映了淺部介質(zhì)的地電信息，低頻成分主要反映淺部至深部介質(zhì)的綜合地電信息?；诖死碚摚诳碧綍r(shí)采用專門的儀器設(shè)備，根據(jù)勘探目標(biāo)體的埋置深度，采集一定頻率范圍內(nèi)[根據(jù)式（2）可大致推算出滿足勘探要求的最低頻率值]的電磁場時(shí)間序列，然后利用相關(guān)的電磁信息數(shù)據(jù)處理方法和軟件進(jìn)行處理，能夠獲得一定深度范圍內(nèi)的地下介質(zhì)電阻率信息，參照電磁勘探正演模擬所建立的各種地質(zhì)體的電磁相應(yīng)的特性，結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)知識(shí)，以及相關(guān)的勘探工作經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)勘探剖面范圍內(nèi)的地質(zhì)信息做出判斷和預(yù)測[6]。

3 隧道工程地面物探方法的選擇原則

物探作為一種間接的勘探方法，它在勘探成本、工作效率、多信息等方面具有其他勘探手段不可比擬的優(yōu)勢，但每種物探方法均有其特有的優(yōu)點(diǎn)和適用性。首先應(yīng)根據(jù)勘探工區(qū)的現(xiàn)場環(huán)境、地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件、勘探目的等因素，相應(yīng)選擇合適的勘探方法，才能取得更好的勘探效果。

3.1 高密度電法的適用性

高密度電法勘探前提是巖礦石的電阻率差異，所以在勘探開展前要進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查并進(jìn)行方法試驗(yàn)，充分了解工區(qū)的巖礦石電阻率差異。對(duì)于泥巖、粉砂巖地區(qū)，通常以低阻為主，高密度電法難以區(qū)分破碎帶、富水帶等。而在高阻區(qū)找低阻異常通常效果較明顯，比如灰?guī)r中的巖溶發(fā)育區(qū)，玄武巖中的節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)或富水區(qū)則適用性比較好。地表接地低阻大小對(duì)高密度電法也有比較大的影響，有些地區(qū)地表碎石土為主，接地電阻通過各種方法都比較難改善，這種地方使用高密度電法容易高阻屏蔽，難以取得理想效果。

高密度電法作為常規(guī)電法勘探的主要方法之一，因其需要通過人工建立地下穩(wěn)定直流電場，考慮到人工建立的電場的場強(qiáng)以及高阻地質(zhì)體對(duì)電場強(qiáng)烈的阻隔作用，人工電場一般的穿透深度有限，因而高密度電阻率法的勘探深度較淺，根據(jù)眾多物探工作者的工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)理論計(jì)算，隧道埋深一般不宜大于200m，這也是選擇應(yīng)用高密度電法進(jìn)行勘探應(yīng)滿足的基本條件。此外，隧道長度不宜過長，一方面隧道過長需要采用滾動(dòng)測量影響施工效率；另一方面在進(jìn)行平距和斜距轉(zhuǎn)換的時(shí)候，隧道過長容易累積較大的誤差，斜距轉(zhuǎn)換為平距后電極位置跟實(shí)際里程容易出現(xiàn)較大偏差。一般2km以內(nèi)地形起伏不大的隧道使用高密度電法都具有比較好勘探效率及效果。

高密度電法布設(shè)的電極一般是按照等斜距布置，而計(jì)算時(shí)均按照等平距執(zhí)行，因而在地形起伏較大的地段，斜距與平距差距較大，會(huì)造成一定的誤差，影響勘探效果。雖然很多處理軟件均采用了地形修正處理，但地形起伏對(duì)理論半球形電場的畸變作用也是難以消除的。

綜上所述，對(duì)于長度不超過2km、埋深不大于200m的隧道采用高密度電法勘探適用于埋深小于等于200m的地形起伏較小的地段的高分辨率地質(zhì)勘察。

3.2 大地電磁法的適用性

20世紀(jì)50年代初，L.Cagnird首次提出了基于卡尼亞電阻率的電磁法勘探理論，經(jīng)過一個(gè)半世紀(jì)的發(fā)展，大地電磁法勘探已經(jīng)被人類廣泛研究和應(yīng)用。基于平面波的大地電磁法勘探具有勘探深度大，采集工作靈活、便捷，能夠進(jìn)行單點(diǎn)測量，且不受高阻體的屏蔽作用，對(duì)低阻體的反應(yīng)較靈敏等優(yōu)點(diǎn)，特別適合地表地形起伏較大的深埋長大隧道工程的地質(zhì)勘探。但一方面由于大地電磁勘探的場源都需要依靠天然場，天然場源的信號(hào)一般較為微弱，且極化方向不定，加之隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人工電磁場及其多次諧變場越來越廣而強(qiáng)，使得采用天然源大地電磁勘探極易受到非天然場源的噪聲干擾，這也是大地電磁勘探的一個(gè)致命弱點(diǎn)。另一方面，大地電磁勘探采集的都是離散頻點(diǎn)，不同頻率對(duì)應(yīng)不同深度的地層電阻率信息，頻點(diǎn)越分散，得到的地層信息的分辨率越低，特別是低頻部分由于頻點(diǎn)分散對(duì)分辨率的影響更大，因而大地電磁的分辨率較高密度偏低，比較適合對(duì)區(qū)域性的地質(zhì)體進(jìn)行勘探，比如斷層、破碎帶、巖性分界線、巖溶發(fā)育區(qū)等。

綜上所述，大地電磁勘探適合一切場源干擾小的深大長埋隧道地質(zhì)勘察。

4 運(yùn)用實(shí)例

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在很大程度上依賴于交通的發(fā)展，云南省地處青藏高原東南麓，地勢北高南低，高差約6663m，區(qū)內(nèi)山谷縱橫，地形及地質(zhì)條件極為復(fù)雜，交通工程的建設(shè)難度大大增加，要想在復(fù)雜多變的地質(zhì)條件下建設(shè)高質(zhì)量的交通工程，首先的任務(wù)是要弄清楚交通工程工區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況。

云南滇西某高速公路穿越新生界全新統(tǒng)（Qh）、上第三系（N2s），中生界白堊系下統(tǒng)（K1j1）、侏羅系上統(tǒng)（J3b）、侏羅系中統(tǒng)（J2h）、三疊系上統(tǒng)（T3m）等地層，其間還有喜山期正長斑巖、二長斑巖等侵入巖，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。為了詳細(xì)查明工區(qū)隧道地質(zhì)情況，物探勘察工作采用了高密度電法儀及大地電磁測深儀等多種物探設(shè)備，對(duì)全線所有隧道結(jié)合地形及地質(zhì)條件、隧道埋深、勘察目的等進(jìn)行了探測。

4.1 高密度電阻率法勘察實(shí)例

該線某隧道主要穿過的地層為侏羅系上統(tǒng)壩注路組（J3b）紫紅色泥巖夾少量同色粉砂巖、砂巖及灰質(zhì)礫巖。本次勘察的主要目的是查明第四系覆蓋層厚度、基巖強(qiáng)弱風(fēng)化界線，以及較軟巖和較硬巖的分布區(qū)域。隧道總長約700m，最大埋深約110m，地表地形較為平緩。結(jié)合勘察目的和現(xiàn)場工作條件，采用了高密度電阻率法對(duì)隧道地質(zhì)進(jìn)行探測，沿隧道中線在地表布設(shè)了80個(gè)電極，電極距為10m。數(shù)據(jù)采集選擇溫納裝置，因?yàn)闇丶{裝置對(duì)高低阻巖性分界面的探測有較好的適用性[7]，采集完成后采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件經(jīng)過預(yù)處理、數(shù)據(jù)編輯、帶地形反演、設(shè)置色標(biāo)和顯示參數(shù)等，成果如圖1所示。

圖1 高密度電法勘探成果圖

根據(jù)反演電阻率sufer圖，可以很清晰地界定第四節(jié)覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層與弱風(fēng)化基巖的界限，同時(shí)根據(jù)電阻率值的大小可以劃分巖性。

4.2 大地電磁法勘察實(shí)例

該線某長隧道總長5300m，最大埋深570m，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)，隧道穿過的地層主要有：侏羅系中統(tǒng)花開左組（J2h1）：紫紅色石英砂巖、泥巖夾少量細(xì)礫巖；侏羅系上統(tǒng)壩注路組（J3b）：紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾粉砂巖、細(xì)礫巖；白堊系上統(tǒng)江底河組（K2h）：灰白色石英砂巖夾紫紅色砂質(zhì)、泥巖。地質(zhì)條件復(fù)雜，地表植被茂密，地形起伏較大，本次勘察的主要目的是查明隧道洞身圍巖的構(gòu)造界線、巖性界線、水文地質(zhì)界線及巖體的完整性等工程地質(zhì)條件。結(jié)合勘察目的和現(xiàn)場工作條件，選擇采用天然源高頻大地電磁法沿隧道右幅中線進(jìn)行勘測，數(shù)據(jù)采集儀器使用美國生產(chǎn)的EH-4大地電磁成像系統(tǒng)，點(diǎn)距為25m。采集完成后，通過儀器自帶的處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯、剔除異常點(diǎn)、反演、Surf?er成圖等處理，得到如圖2所示成果圖（僅顯示了隧道出口段）。

根據(jù)以上成果圖，可以較為直觀地看出隧道洞身處：侏羅系中統(tǒng)紫紅色石英砂巖與侏羅系上統(tǒng)紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾粉砂巖的分界線在K5+000附近；同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)電阻率變化趨勢，可以推斷侏羅系上統(tǒng)紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾粉砂巖與白堊系上統(tǒng)石英砂巖夾紫紅色泥巖的分界在K6+000附近，同時(shí)該處發(fā)育有一斷層。

后期在物探異常段進(jìn)行鉆孔勘探，通過鉆探所揭示的地層巖性和巖體情況，與物探解譯的巖體情況基本吻合，也驗(yàn)證了本次采用的物探方法在該線地質(zhì)勘察中的有效性和適用性。

5 結(jié)論

（1）通過本次運(yùn)用，可以看出，高密度電阻率法勘探對(duì)于劃分第四系覆蓋層厚度、基巖強(qiáng)弱風(fēng)化界線有較高的分辨率，探測效果較好。大地電磁法勘探對(duì)于調(diào)查區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，巖性分界線有較好的適用性。

（2）物探的方法手段眾多，每種物探方法都具有其特有的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，在進(jìn)行物探工作前應(yīng)先了解清楚工作的工作環(huán)境、地質(zhì)條件及勘探目的，選擇合適的方法，以達(dá)到最優(yōu)勘探效果。

圖2 EH-4大地電磁勘探成果圖

（3）物探作為間接的勘探手段，僅靠單一的勘探方法很容易受到物探資料多解性的困擾，甚至造成解譯錯(cuò)誤，它需要結(jié)合地質(zhì)、鉆探及多種物探方法綜合分析，才能得到更為接近真實(shí)地質(zhì)情況的解譯結(jié)果。

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