EH4在引調(diào)水工程勘察中的應(yīng)用

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，對于異常部位亦可加密測點，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 工程實例

3.1 EH4在引調(diào)水工程前期勘察中的應(yīng)用實例

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行驗證，進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，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段的位置進行了相關(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)后序的掘進記錄顯示，甲烷氣含量超標段和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，則認為相對低阻帶的巖性都相對較破碎，但通過隧洞掘進記錄顯示，EH4測試成果中高阻和低阻的分界線上確實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。