音頻大地電磁法(AMT)在貴州省余遵高速公路路基勘察方面的應(yīng)用

劉永鋒，閆維華，葉 佩

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局104地質(zhì)大隊(duì)，貴州 都勻 558000；2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

1 引言

余慶至遵義高速公路是貴州省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。公路穿越位置地形切割大，橋隧比超過80%，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下水系發(fā)育，高速路橫跨省內(nèi)最大水系烏江，基巖以白云巖、灰?guī)r為主，屬于典型的喀斯特巖溶發(fā)育區(qū)，高速公路在如此復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中施工，勘察工作尤為重要。前期僅通過鉆探施工進(jìn)行勘察，施工慢、費(fèi)時費(fèi)力、質(zhì)量不可預(yù)測，后引入音頻大地電磁法(AMT)，該方法解釋深度和精度能滿足施工需求，物探結(jié)果和鉆孔巖性相互對比，以點(diǎn)帶線，提高了工作效率和勘察質(zhì)量。

在路基測量中目前常用的物探方法主要有高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法等，本次測量選用EH-4大地電磁測深系統(tǒng)進(jìn)行測量，該方法有效探測深度在1 000 m以內(nèi)，對陡立的條帶狀地質(zhì)體有較好的反應(yīng)(如斷層、裂隙等)，能滿足隧道探測深度和目的體測量精度的要求，且該設(shè)備具有輕便、經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)(楊炳南等，2018)。文中列舉了該方法在余遵高速兩條具有代表性的隧道剖面上的勘察實(shí)例，通過分析對比和施工驗(yàn)證，表明該方法具有較好的勘察效果，通過總結(jié)，認(rèn)為該方法在相似巖性地區(qū)具有普適性，值得推廣。

2 方法原理

2.1 EH-4音頻大地電磁法的基本原理

大地電磁測深法(MT)是利用天然交變電磁場研究地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法，它利用電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng)，在場源和接收點(diǎn)間距不變的條件下，改變電磁場的頻率來達(dá)到測深的目的(湯井田等，2005)。一般大地電磁法(MT)的測量頻率范圍在100 Hz以下，勘探深度在數(shù)百米至數(shù)百公里。音頻大地電磁法(AMT)的頻率測量范圍約為0.1～100 kHz，勘探深度為幾米至幾公里，在礦產(chǎn)勘查和工程勘探中應(yīng)用廣泛(雷宛等，1990)。EH-4是由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合推出的新一代電磁觀測系統(tǒng)，頻率測量范圍10 Hz～100 kHz，其屬于音頻大地電磁法(AMT)的一種，能觀測到地表幾米至1 500 m以內(nèi)的地質(zhì)斷面的電性變化信息?；趯嗝骐娦孕畔⒌姆治鲅芯?，可以確定地電斷面的性質(zhì)。該系統(tǒng)適用于各種不同的地質(zhì)條件和比較惡劣的野外環(huán)境，常用于礦產(chǎn)與地?zé)峥辈?、環(huán)境監(jiān)測以及工程地質(zhì)調(diào)查(湯井田等，2008)。

其工作原理與大地電磁(MT)法一樣，是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，高頻部分可借助人工發(fā)射場，由電磁場理論可知，大地介質(zhì)中將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，則此感應(yīng)電磁場與一次場是同頻率的，EH-4系統(tǒng)觀測的基本參數(shù)為正交的2個電場分量(Ex，Ey)和2個磁場分量(Hx，Hy)，通過傅里葉變換將時間序列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率域數(shù)據(jù)，利用下式可求得2個不同方向上的視電阻率，進(jìn)而計(jì)算張量阻抗，獲取地層的電阻率值(盧卯等，2015)：

式中ρ是電阻率，E和H分別是一組電道和磁道的信號強(qiáng)度，f是頻率。

該方法以卡尼亞大地電磁理論為依據(jù)，假設(shè)場源位于高空，地面電磁波為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向上是均勻的。定義電磁波在地下介質(zhì)傳播中，振幅衰減到地面振幅的1/e深度為趨膚深度或穿透深度，用不同頻率的阻抗計(jì)算視電阻率，便可達(dá)到測深目的(鐘幼生等，2015)。

根據(jù)趨膚深度的概念，趨膚深度與電磁波的頻率和介質(zhì)的視電阻率呈如下的關(guān)系：

式中σ是趨膚深度，ω是角頻率，μ是磁導(dǎo)率，δ為電導(dǎo)率，ρ是介質(zhì)的電阻率，f是電磁波的頻率。

趨膚深度和電磁波在介質(zhì)中的穿透深度有關(guān)，但它并不代表有效探測深度，有效探測深度D是指某種探測方法的體積平均探測深度。其經(jīng)驗(yàn)公式為(萬漢平等，2013)：

上式表明，實(shí)際探測深度僅取決于大地電阻率ρ和使用的信號頻率f。隨著測試區(qū)域電阻率的減小或者接收頻率的升高，有效測量深度變淺，反之亦然。EH-4的工作頻率在10-100 kHz，設(shè)大地平均電阻率為100 Ω·m，則EH-4的有效探測深度為11.5～1 154 m(嚴(yán)良俊等，2014)。所以使用EH-4進(jìn)行隧道基底測量，完全滿足深度要求，對深度要求較小的區(qū)域，可以僅測量高頻信號，以達(dá)到提高工作效率的目的。

2.2 區(qū)內(nèi)巖層物性特征

物探測量的目的是劃分可溶巖與非可溶巖的分界線，找出隧道開挖面附近巖溶洞穴、暗河、軟弱帶、采空區(qū)及富水帶的埋深和規(guī)模，找出隧道沿線斷層破碎帶的分布情況，為隧道定線提供依據(jù)、為隧道施工提供超前預(yù)報(bào)。物探測量主要依據(jù)工作區(qū)物性差異，區(qū)內(nèi)多分布白云巖、石灰?guī)r等可溶性巖體，該類完整巖體一般為高阻反應(yīng)(ρs>1 000 Ω·m)。地表覆土、泥頁巖、煤系地層一般為層狀低阻反應(yīng)(ρs<300 Ω·m)。斷層、裂隙的發(fā)育一般在垂向上呈低阻條帶狀反應(yīng)(ρs<200 Ω·m)。巖溶管道、巖溶一般發(fā)育在白云巖、灰?guī)r地層中，形態(tài)一般呈圓形、橢圓形、紡錘形，巖溶邊界視電阻率等值線分布密集。巖溶及巖溶管道根據(jù)其發(fā)育程度和填充物質(zhì)不同視電阻率有所變化，一般空洞視電阻率最大(ρs>3 000 Ω·m)，填充碎石、泥質(zhì)、水等物質(zhì)的巖溶視電阻率最小(ρs<200 Ω·m)，半填充狀態(tài)的巖溶視電阻率介于兩者之間，可以通過視電阻率的形態(tài)、數(shù)值進(jìn)行綜合分析研判，大致確定巖溶性質(zhì)位置、規(guī)模等參數(shù)(陳松等，2017)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 污泥壩隧道勘察實(shí)例

該隧道為余遵高速控制性工程之一，屬淺切低山溶蝕、侵蝕地貌類型，場區(qū)相對高差175 m。進(jìn)口位于陡坡體上，自然坡角為23°；出口位于陡坡體上，自然坡角為30°。地表多覆蓋第四系殘、坡積物，植被較發(fā)育，多為雜草、灌木，局部較茂密，自然坡度一般10°～40°，局部山坡陡峻。隧道下伏基巖為寒武系中統(tǒng)高臺石冷水組白云質(zhì)灰?guī)r，寒武系下統(tǒng)清虛洞組白云巖，寒武系下統(tǒng)金頂山組及明心寺組泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r。

圖1 余遵高速污泥壩隧道音頻大地電磁測深綜合成果圖

1—極破碎、極軟弱、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體；2—較破碎巖體或巖溶發(fā)育巖體；3—隧道軸線；4—破碎、軟弱、巖溶中等發(fā)育或含水巖體；5—較完整巖體；6—推測巖深

通過視電阻率擬斷面圖中視電阻率等值線的分布特征可以對隧道沿線埋深300左右?guī)r層地電性質(zhì)進(jìn)行大致的判斷，根據(jù)視電阻率的數(shù)值大小對巖層的穩(wěn)定性(破碎程度、含水狀態(tài)等)進(jìn)行判斷；通過視電阻率等值線的圈閉形態(tài)、分布特征可以對巖溶、斷層、軟弱帶的大小、埋深、性質(zhì)進(jìn)行大致的推測，為隧道開挖、工程勘察提供超前預(yù)報(bào)。如圖示，K38+000—K38+500段，地表出露寒武系中統(tǒng)高臺石冷水組地層，基巖為白云質(zhì)灰?guī)r，該段電阻率分層明顯，視電阻率以中-高阻為主，巖層厚度分布均勻，總體較完整。K38+300—K38+320處，高程820 m和850 m處從上至下有一高阻和低阻圈閉體，推測高阻體為巖溶空洞，低阻體為填充型巖溶，兩巖溶位置與隧道開挖面較遠(yuǎn)，故對隧道影響有限。K38+400—K38+420之間，隧道開挖面附近有一高阻體沿垂向分布，規(guī)模較大，推測為巖溶空洞施工中加強(qiáng)了該處的超前預(yù)報(bào)和支護(hù)工作。K38+465—K38+490之間，從地面向下有一漏斗狀低阻體，低阻體中部有一低阻圈閉體，結(jié)合地形推測漏斗狀低阻為裂隙發(fā)育帶，低阻體為填充型巖溶，鉆孔ZK001揭露該處巖體破碎，并在物探推測位置揭露一高度超過8 m的填充型巖溶。K38+500—K39+000段，該段地表出露寒武系下統(tǒng)清虛洞組，白云巖為主，該段裂隙巖溶發(fā)育，推測K38+620—K38+660處視電阻率等值線呈“V”字狀分布，中部視電阻率數(shù)值小于200 Ω·m，推測為裂隙軟弱帶，結(jié)合地形推測該處為地下水下滲通道，ZK002鉆孔查明，該處巖層破碎、富水性好。K38+800處有一傾斜的電阻率低阻條帶，推測為斷層或裂隙發(fā)育帶，地表為溝谷，推測其為地表水排泄通道，其底部視電阻率較低，巖層較破碎，布設(shè)ZK003對其進(jìn)行驗(yàn)證，由于該處巖層破碎、軟弱，根據(jù)設(shè)計(jì)方要求施工多個鉆孔對其進(jìn)行揭露，隧道施工前經(jīng)過專家論證，對其進(jìn)行了加固處理。K39+000—K39+500段，地表出露寒武系下統(tǒng)金頂山+明心寺組，泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r為主，視電阻率呈中-低阻，在K39+360附近，隧道開挖面處有一高阻圈閉，推測其為巖溶空洞，鉆探ZK004驗(yàn)證結(jié)果和推測大致吻合。

3.2 平定安隧道勘察實(shí)例

該隧道地處貴州黔北山地，進(jìn)口緊鄰烏江，屬淺切低山溶蝕地貌類型，相對高差約200 m左右，隧道橫穿過一山體，進(jìn)口自然坡角為35°，出口坡度較緩。地表多覆蓋第四系殘、坡積物，進(jìn)口部分出露灰?guī)r，中段及出口部分被田土雜木林覆蓋。該剖面基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組、二疊系上統(tǒng)長興組和吳家坪組地層，其中二疊系下統(tǒng)茅口組以灰?guī)r為主，靠近烏江河邊，茅口組地層內(nèi)巖溶暗河發(fā)育；二疊系上統(tǒng)長興組和吳家坪組，為區(qū)內(nèi)的煤系地層，巖性以泥巖、粉砂巖等低阻破碎巖體為主，且為隔水層，對隧道施工影響較大。本次勘察的目的一方面劃分巖層完整性和穩(wěn)定性，找出巖溶裂隙位置，另一方面是找出煤層采空區(qū)。

圖2 余遵高速平定安隧道音頻大地電磁測深綜合成果圖

1—極破碎、極軟弱、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體；2—較破碎巖體或巖溶發(fā)育巖體；3—隧道軸線；4—破碎、軟弱、巖溶中等發(fā)育或含水巖體；5—較完整巖體；6—推測巖溶

如圖2所示，K49+300—K49+800段，地表出露二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，視電阻率為高值反應(yīng)，巖層相對較穩(wěn)定。K49+700—K49+740，從地表至深部200 m左右，有一傾斜狀低阻帶，推測為地表水下滲通道，且沿軟弱帶有兩個相對低阻圈閉體，推測為填充型巖溶，該處施工鉆孔ZK001，揭露兩個巖溶體，和物探推測大致吻合。K49+800—K50+600段，地表出露二疊系上統(tǒng)長興組和吳家坪組地層，為區(qū)內(nèi)的煤系地層，巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、煤層為主，視電阻率為中到低值，巖層破碎、不穩(wěn)定，隧道開挖面大部分區(qū)域通過低阻區(qū)域，巖性變化較大，為重點(diǎn)勘察區(qū)。通過視電阻率的變化，在該區(qū)劃分了幾處極破碎、極軟弱、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的“Ⅴ”類區(qū)域，根據(jù)視電阻率的數(shù)值及形態(tài)劃分出了5處疑似采空區(qū)的中高阻圈閉體，并布設(shè)鉆孔ZK002、ZK003對其中的三處疑似采空區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，ZK002經(jīng)過的兩處相對高阻體均為泥巖、粉砂巖地層中夾雜的灰?guī)r巖體，ZK003在隧道開挖面附近發(fā)現(xiàn)了殘留煤層及采空區(qū)。

4 結(jié)論

通過余遵高速公路十余個隧道的物探施工對比，認(rèn)為使用音頻大地電磁法(AMT)結(jié)合鉆孔地質(zhì)資料，在隧道定測階段進(jìn)行線路巖溶勘察、基底穩(wěn)定性探測、采空區(qū)劃分等方面具有較好的實(shí)用效果。物探工作的展開使鉆孔施工有跡可循、有的放矢，使勘察工作開展更具針對性和目的性，有效的節(jié)約了時間和施工成本，且取得了較好的施工效果。

(1)音頻大地電磁法(AMT)接收場源信號容易受人文干擾，隧道施工多處于山區(qū)，人文干擾較少，故有較好的外部施工環(huán)境。

(2)使用EH-4進(jìn)行剖面測量，儀器輕便，地形地貌要求不高，可以在地形切割較大的溝谷山坡進(jìn)行施工，相較其它物探方法施工便捷性較大。

(3)物探解釋結(jié)合鉆孔施工資料，一方面從已知推斷未知，減少物探多解性影響，使物探解釋更接近真實(shí)地質(zhì)情況，另一方面物探解釋可以指導(dǎo)鉆孔施工，使鉆孔施工更有針對性，提高工作效率。

(4)喀斯特地區(qū)巖溶發(fā)育位置、規(guī)模和地形地貌有一定的關(guān)聯(lián)，負(fù)地形處多為地表泄水點(diǎn)，物探施工前通過水文地質(zhì)資料和地形地貌特征在相應(yīng)位置加密觀測點(diǎn)，提高物探解釋的精度。

(5)EH-4測量的是巖層的相對視電阻率，數(shù)值大小受區(qū)域內(nèi)巖層的綜合地電性質(zhì)影響，對不良地質(zhì)體的判定定性為主，定量為輔。對不良地質(zhì)體的判定主要以視電阻率等值線的的形態(tài)、相對大小結(jié)合鉆孔資料、地層、地貌等進(jìn)行綜合研判。

(6)使用音頻大地電磁法(AMT)在貴州山區(qū)及相似環(huán)境區(qū)域進(jìn)行公路、鐵路隧道前期勘察和超前預(yù)報(bào)具有成本低、效率高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，具有可推廣性。