聲頻大地電磁法在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造隧道中的應(yīng)用及研究

劉東東

(中交四公局投資事業(yè)部 北京 100022)

我國的高速公路事業(yè)處于快速發(fā)展階段，隧道建設(shè)的安全問題成為了重中之重，由于隧道沿線要穿越如斷層、節(jié)理裂隙帶等復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，在施工時(shí)經(jīng)常遇到塌方、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。受工程和水文地質(zhì)條件復(fù)雜的影響，地質(zhì)勘察的成果往往與實(shí)際開挖結(jié)果相差較大，難免會(huì)有部分地質(zhì)問題在勘察時(shí)遺漏，在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域中，如何提高地質(zhì)勘察的精度，保證隧道順利施工是值得深思的[2]。

一、音頻大地電磁法（AMT）基本原理

大地電磁法勘探本質(zhì)上是通過測量大自然的大地電場和磁場強(qiáng)度來研究地下地質(zhì)構(gòu)造的方法。傳統(tǒng)的大地電磁（Magnetotellurics Method，簡稱MT）法勘探多指頻率為0.001～10000HZ的低頻勘探，常用于數(shù)千米至數(shù)萬米的深部地質(zhì)構(gòu)造探測研究。工程勘察的主要目的在于分析數(shù)千米以內(nèi)的地質(zhì)情況，本文所采用的音頻大地電磁勘探，頻率通常在1～10000Hz范圍以內(nèi)，因該頻段大體在音頻范圍內(nèi)，故也稱之為音頻大地電磁法（Audio Magnetotelluric Method，簡稱AMT）勘探。雖然MT探測的深度更深，但AMT在采集地下1km以內(nèi)的信號時(shí)，抗干擾能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)更可靠，足以滿足隧道勘察的需要[3]。

音頻大地電磁法（AMT）是以卡尼亞大地電磁理論為依據(jù)，其基本理論模型是：假設(shè)場源位于高空，地下介質(zhì)在水平方向是均勻的，地電磁場為平面電磁波；定義電磁波在地下介質(zhì)傳播中時(shí)，其振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度定義為穿透深度或趨膚深度δ，其表達(dá)式為：

式中：ρ為大地背景電阻率（Ω·m）；

f為頻率（Hz）。

由式（1）可知，趨膚深度δ將隨電阻率ρ和頻率f變化，趨膚深度δ隨著探測頻率f的增大而減小，隨著大地背景電阻率的增大而增大。即：當(dāng)采集高頻信號時(shí)，實(shí)際得到的是淺層電阻率信息，采集低頻信號時(shí)，得到的是深部電阻率信息。研究對應(yīng)深度的電阻率在相對應(yīng)的頻帶上進(jìn)行的，便可達(dá)到探測的目的。根據(jù)公式計(jì)算出相應(yīng)的視電阻率和相位，從而進(jìn)一步確定地質(zhì)構(gòu)造。

二、探測設(shè)備及現(xiàn)場測線布置

本次探測所采用的儀器設(shè)備是EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀，該儀器于上世紀(jì)九十年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合推出。儀器主要由發(fā)射裝置和接收裝置兩部分組成（見圖1）。發(fā)射裝置包括發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、控制器、12V蓄電池。接收裝置包括主機(jī)、前置轉(zhuǎn)換器（AFE）、傳輸電纜、接地電纜、不銹鋼電極、磁探頭、12V蓄電池。

在開展工作的前一天需進(jìn)行平行試驗(yàn)，從而檢測儀器是否正常。其方法為：將兩個(gè)磁棒平行放在地面上，且相隔2～3m，兩個(gè)電偶極子也要保持平行。觀測電場、磁場通道的時(shí)間序列信號情況。

電極的布置技術(shù)：工作時(shí)需要使用到四個(gè)電極，即兩個(gè)電偶極子，每兩個(gè)電極組成一個(gè)電偶極子，其長度等于點(diǎn)距，（便于對比監(jiān)視電場信號），與測線方向一致的電偶極子稱為X方向-Dipole；與測線方向垂直的電偶極子稱為Y方向-Dipole。由森林羅盤儀確定方向，誤差小于0.5°，保證Y方向-Dipole電偶極子的方向與X方向-Dipole的相互垂直；電偶極子的長度由測繩測量，誤差應(yīng)小于0.5m。

磁棒布置技術(shù)：前置放大器與磁棒的距離應(yīng)大于5m，兩個(gè)磁棒埋入地下的深度應(yīng)不小于5cm，從而消除人為干擾，使用地質(zhì)羅盤確定方向使其相互垂直，誤差控制應(yīng)不大于2°，且兩個(gè)磁棒應(yīng)保持水平。所有人員要遠(yuǎn)離磁棒至少10m，磁棒布置盡量選擇遠(yuǎn)離電纜、大樹、房屋的地方。

AFE（前置放大器）布置技術(shù)：前置放大器應(yīng)放置在測量點(diǎn)上，即兩個(gè)電偶極子的中心處，前置放大器應(yīng)首先接地，避免其受到大電流的損傷，且其遠(yuǎn)離磁棒至少10m。

主機(jī)布置技術(shù)：主機(jī)應(yīng)放置在遠(yuǎn)離AFE（前置放大器）20m以上的平臺(tái)上，且AFE和磁棒也應(yīng)該在主機(jī)操作員視野內(nèi)。

三、數(shù)據(jù)處理與成圖

H4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀的數(shù)據(jù)處理與成圖主要是通過IMAGEM和綜合處理軟件進(jìn)行。其主要步驟有以下幾點(diǎn)：

1.對獲得的電場和磁場虛實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，使用IMAGEM軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，對明顯的異常點(diǎn)進(jìn)行刪除，從而提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.對數(shù)據(jù)進(jìn)行靜校正、生成表層電阻率、編輯剖面電阻率及剖面處理。

3.對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間和頻率插值，對剖面進(jìn)行均勻插值，對頻率按照對數(shù)規(guī)律進(jìn)行插值。

4.形成后續(xù)處理文件和預(yù)反演成像參數(shù)文件。

5.通過多次迭代正演和反演，得到二維正演數(shù)據(jù)和反演結(jié)果，若反演結(jié)果與已知地質(zhì)特征和其正演數(shù)據(jù)剖面圖與原始數(shù)據(jù)斷面圖基本吻合，則正反演計(jì)算結(jié)束。

四、推斷解釋成果

K7+995～K8+064：視電阻率值在300-500Ω·m，推測為強(qiáng)-中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理較發(fā)育，巖石較破碎至較完整，局部發(fā)育巖溶裂隙帶，圍巖自穩(wěn)性較差。

K8+064～K8+195：視電阻率值在150-300Ω·m，為灰?guī)r與泥巖交界構(gòu)造帶，為典型巖溶發(fā)育區(qū)。圖像反映，區(qū)域內(nèi)發(fā)育巖溶漏斗，其軸線產(chǎn)狀傾向隧道進(jìn)口方向，傾角約75°，區(qū)段內(nèi)064-095區(qū)段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，095-195為泥巖與灰?guī)r混雜而成的充填物。圍巖中含地下水，自穩(wěn)性很差。開挖易引發(fā)塌方、坍塌事故。

K8+195～K8+315：視電阻率值在150-180Ω·m，推測為中風(fēng)化泥巖，巖石較完整，但較軟弱，巖體自穩(wěn)性尚可，局部節(jié)理裂隙發(fā)育處自穩(wěn)性差。該區(qū)段是電阻率值穩(wěn)定，未見大規(guī)模構(gòu)造帶發(fā)育。

五、結(jié)束語

通過此次音頻大地電磁探測（AMT）在隧道位置及周邊探測應(yīng)用表明：

1.在地形條件惡劣，無法布置長測線且要求勘探深度較深的地區(qū)，EH-4音頻大地電磁測深系統(tǒng)憑借其設(shè)備輕便、速度快、勘探精度高等優(yōu)點(diǎn)。其在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的良好的應(yīng)用效果已經(jīng)得到驗(yàn)證。

2.在一定地質(zhì)環(huán)境下，音頻大地電磁測深方法能夠較為理想地完成查明隧道位置及周邊可能存在的巖溶構(gòu)造的勘查任務(wù)，為地質(zhì)調(diào)查提供可靠的信息，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保障工程安全順利的施工。

3.結(jié)合已有區(qū)域的地質(zhì)資料，更合理地布置物探測線，將目標(biāo)異常體控制在幾條測線的探測范圍之內(nèi)，通過各條測線的比對，可以更好地查明巖溶構(gòu)造的具體信息。