EH4電磁成像系統(tǒng)在高速公路隧道勘察中的應(yīng)用探析

王吉慶

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

EH4 電磁成像系統(tǒng)是由美國(guó)Geometrics 公司和EMI 公司于20 世紀(jì)90 年代聯(lián)合生產(chǎn)的一種混合源頻率域電磁測(cè)深系統(tǒng)，屬于音頻大地電磁測(cè)深法，接收頻率10～100 000 Hz，探測(cè)深度50～1 000 m，歷經(jīng)十幾年地使用與發(fā)展，EH4 已成為一種穩(wěn)定成熟的電磁測(cè)深儀器［1］。

近年來(lái)，因?yàn)镋H4電磁成像系統(tǒng)具有靈敏度高、探測(cè)深度大的特點(diǎn)，在公路、鐵路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，另外它還可用來(lái)尋找斷裂、巖體破碎帶，確定基巖起伏，劃分土石界線等，對(duì)中深部大型地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)效果明顯，是進(jìn)行長(zhǎng)大、深埋型隧道勘察的一種有效方法，憑借其探測(cè)速度快、深度大、精度高的特點(diǎn)，可為路線設(shè)計(jì)施工提供有效的技術(shù)支持［2-3］。本論述結(jié)合EH4 電磁成像系統(tǒng)在禮縣隧道勘察中的實(shí)際應(yīng)用，闡明該方法在反映深部地質(zhì)構(gòu)造、劃分地層方面的有效性，為劃分隧道圍巖級(jí)別提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。

1 EH 4基本原理及野外觀測(cè)方法

1.1 基本原理

EH4電磁成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng)，深部構(gòu)造通過(guò)天然場(chǎng)源成像，淺部構(gòu)造通過(guò)人工電磁波發(fā)射信號(hào)，獲得高分辨率成像。假設(shè)大地電磁場(chǎng)是平面電磁波且垂直投射到地下，在地面觀測(cè)相互正交的電場(chǎng)分量Ex、Ey 和磁場(chǎng)分量Hx、Hy，利用上述觀測(cè)參數(shù)可以計(jì)算得到兩個(gè)方向的視電阻率ρxy和ρyx，表達(dá)式如式（1）、式（2）所示［4］：

式中：f 是頻率Hz，ρ 是電阻率Ω· m，E 是電場(chǎng)強(qiáng)度mV/km，H 是磁場(chǎng)強(qiáng)度nT。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，把電磁場(chǎng)在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值的1/e時(shí)的探測(cè)深度定義為趨膚深度δ，即探測(cè)深度，其表達(dá)式如式（3）所示：

由式（3）可知，趨膚深度與介質(zhì)電阻率的平方根呈正比，與頻率的平方根成反比，故高頻信號(hào)反映地下淺部介質(zhì)的電性特征，低頻信號(hào)反映深部介質(zhì)的電性特征。測(cè)量時(shí)，高頻與低頻信號(hào)分段測(cè)量，可確定地下不同深度范圍內(nèi)的介質(zhì)地電特征［5］。

1.2 野外觀測(cè)方法

EH4 野外觀測(cè)系統(tǒng)主要包括主機(jī)、前置信號(hào)放大器、4個(gè)電極、2個(gè)磁棒以及連接線纜，采用12 V電瓶供電，野外觀測(cè)布置如圖1所示。

圖1 EH4電磁成像系統(tǒng)主要設(shè)備及觀測(cè)布置示意圖

一般情況下，由于地下介質(zhì)是非均勻體，EH4數(shù)據(jù)測(cè)量采用張量測(cè)量的方式，即同時(shí)采集2個(gè)方向的電場(chǎng)Ex、Ey和2個(gè)方向的磁場(chǎng)Hx、Hy信號(hào)，這有利于判斷二維構(gòu)造特征，但是在地下介質(zhì)二維特征不明顯，或以沉積地層為主，無(wú)斷裂構(gòu)造的情況下，可考慮使用標(biāo)量測(cè)量，即采集1個(gè)方向的電場(chǎng)Ex和與其垂直的磁場(chǎng)Hy信號(hào)，用計(jì)算的ρxy來(lái)表征地下介質(zhì)的地電特征。

在高速公路長(zhǎng)大隧道的地質(zhì)勘察中，EH4 一般采用連續(xù)剖面法，即EMAP 法。該方法的特點(diǎn)是極距與點(diǎn)距相等，形成首尾相連連續(xù)布極，有利于消除地下淺部不均勻體造成的靜態(tài)效應(yīng)。

單點(diǎn)采集時(shí)，采用標(biāo)量測(cè)量方式，應(yīng)注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

（1）采用連續(xù)剖面測(cè)量方式，確保兩個(gè)電極方向沿隧道線路方向布置，極距一般取40 m；磁探頭垂直電極方向水平埋設(shè)；均以地質(zhì)羅盤確定方向，誤差控制在2°以內(nèi)；

（2）采集參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定；一般低頻疊加次數(shù)為16 次，高頻疊加8 次即可，可根據(jù)顯示的時(shí)間序列、功率譜圖像，在野外現(xiàn)場(chǎng)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷，如果采集信號(hào)較弱，可適當(dāng)增加采集疊加次數(shù)；

（3）在野外測(cè)量中盡量避免工業(yè)電流干擾。一般情況下，完成一個(gè)500 m深度的電磁測(cè)深點(diǎn)，大約30 min；在干擾區(qū)測(cè)量時(shí)，可適當(dāng)旋轉(zhuǎn)觀測(cè)角度以減小工業(yè)電流影響，同時(shí)應(yīng)增加有效迭加次數(shù)，延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。

2 數(shù)據(jù)處理及反演方法

利用成都理工大學(xué)研發(fā)的VitasMT軟件，對(duì)實(shí)測(cè)的Ex、Hy 各分量的時(shí)間序列信號(hào)，經(jīng)傅立葉變化和復(fù)雜的函數(shù)計(jì)算，可得到地下交變電磁場(chǎng)的自功率譜和互功率譜，從而計(jì)算出隨頻率變化的視電阻率和阻抗相位。對(duì)得到的視電阻率曲線做定性分析，人工剔除飛點(diǎn)，編輯平滑，個(gè)別曲線做靜態(tài)校正，然后可利用軟件反演模塊，做二維非線性共軛梯度（NLCG）反演，具體如圖2、圖3所示。

圖2 EH4電磁成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

圖3 EH4電磁成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理界面

3 解譯原則

EH4電磁成像系統(tǒng)有效觀測(cè)的前提是地下不同介質(zhì)存在電阻率差異，二維反演結(jié)果中，根據(jù)視電阻率等值線分布形態(tài)來(lái)判斷地電斷面特征、識(shí)別地層分界線、劃分不良地質(zhì)構(gòu)造等。不同巖性由于其賦存狀態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、含水情況不同，視電阻率存在差異，在解譯之前應(yīng)宏觀把握研究區(qū)各地層巖性特征，對(duì)區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育情況有大致了解，結(jié)合已有的鉆探資料，然后再依據(jù)視電阻率等值線圖來(lái)解譯地電斷面。一般來(lái)講，視電阻率等值線密集、梯度變化大，兩側(cè)視電阻率值明顯異常的條帶可能為地層分界線；視電阻率等值線橫向突變、不連續(xù)，多為條帶狀或形成不均勻的低阻圈閉異常帶，一般為斷裂破碎帶及其影響帶。

4 工程實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)工程地質(zhì)條件

新建禮縣隧道位于隴南市禮縣境內(nèi)，為左右分離式特長(zhǎng)隧道，隧道全長(zhǎng)5 118 m，最大埋深388 m。測(cè)區(qū)內(nèi)出露的地層主要為第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土（Q4dl）、新近系砂質(zhì)泥巖（N）以及泥盆系中統(tǒng)西漢水組砂質(zhì)板巖（D2x）等。測(cè)區(qū)多為耕地，地形起伏較大，基巖露頭較少。由于隧道長(zhǎng)度長(zhǎng)、埋深大，鉆孔布置不能兼顧所有段落，故需利用EH4 方法來(lái)探測(cè)深部地質(zhì)條件，為判別隧道工程地質(zhì)條件提供依據(jù)。為此，沿隧道右線布置EH4 剖面，測(cè)量里程樁號(hào)為YK87+400-YK90+028段。

4.2 資料成果分析解譯

從圖4 可以看出，該段地層分為三層：第一層表現(xiàn)為低阻特征，視電阻率：ρs=5～50 Ω·m，層厚約0.0～88.6 m，推測(cè)地層為粉質(zhì)黏土（Q4dl），土體含水量較高；第二層表現(xiàn)為中阻特征，視電阻率：ρs=50～80 Ω·m，層厚約22.0～126.4 m，推測(cè)地層為砂質(zhì)泥巖（N）；第三層表現(xiàn)為高阻特征，視電阻率：ρs=80～550 Ω·m，推測(cè)地層為砂質(zhì)板巖（D2x），洞身段圍巖主要為該巖體。從上到下各電性層緩慢過(guò)渡，呈漸變形式，在視電阻率等值線梯度變化大的地方，推測(cè)為各地層分界線。

值得注意的是，在YK88+500-YK89+300段，即圖4中異常段落1，視電阻率等值線有明顯的整體下凹趨勢(shì)，推測(cè)砂質(zhì)泥巖在此段中厚度較大，砂質(zhì)板巖頂面在該段呈低凹形態(tài)。根據(jù)EH4 解譯結(jié)果，在該段布置鉆孔ZK-SD4-7 加以驗(yàn)證，地層分段如下：0.0～46.4 m 為粉質(zhì)黏土，局部夾圓礫；46.4～192.5 m 為砂質(zhì)泥巖；192.5 m 以下為砂質(zhì)板巖。實(shí)際地層劃分與EH4 解譯基本一致，吻合程度較高。在未做EH4剖面之前，由設(shè)計(jì)人員推測(cè)砂質(zhì)板巖頂面埋深較淺，隧道洞身位于中風(fēng)化砂質(zhì)板巖中，巖體完整程度較好，圍巖級(jí)別設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)，經(jīng)EH4剖面解譯及鉆孔驗(yàn)證，該段隧道洞身距離泥巖與砂質(zhì)板巖界面較小，巖體完整程度較差，經(jīng)鉆孔內(nèi)聲波波速測(cè)試，測(cè)得洞身范圍內(nèi)巖體平均波速為3 159 m/s，巖體完整性系數(shù)Kv=0.5，巖體完整程度判別為較破碎，相比于其他段落，圍巖自穩(wěn)能力差，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，防止圍巖松動(dòng)破壞。

在YK89+700-YK89+900 段，即圖4 中的異常段落2，視電阻率明顯比周圍巖體電阻率低很多，形成局部低阻異常圈閉，推測(cè)該處粉質(zhì)黏土厚度較大，砂質(zhì)板巖界線明顯降低，推測(cè)有可能是西漢水古河道位置。在該段布置兩個(gè)鉆孔ZK-SD4-4、ZK-SD4-5 加以驗(yàn)證，結(jié)果ZK-SD4-4 在孔深70.2 m 處見砂質(zhì)板巖，而ZK-SD4-5在鉆至87 m 時(shí)仍是粉質(zhì)黏土，未見砂質(zhì)板巖。在未做EH4 剖面之前，由設(shè)計(jì)人員推測(cè)該段洞身在砂質(zhì)板巖中，圍巖級(jí)別設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)，經(jīng)EH4剖面解譯及鉆孔驗(yàn)證，該段隧道洞身位于粉質(zhì)黏土中，圍巖級(jí)別調(diào)整為Ⅴ級(jí)。

圖4 禮縣隧道EH4電磁成像系統(tǒng)二維反演剖面綜合解譯圖

5 結(jié)論與建議

（1）EH4 電磁成像系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，在禮縣隧道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用是成功的，不同巖性的電性特征分層明顯，能夠有效劃分砂質(zhì)泥巖與砂質(zhì)板巖的界線，并且精度較高，后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，EH4 剖面解譯的地質(zhì)分層與實(shí)際地層吻合度很高，達(dá)到了預(yù)期目的。

（2）利用EH4電磁成像系統(tǒng)綜合解譯結(jié)果，可以為隧道設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)支撐，在劃分圍巖級(jí)別、支護(hù)參數(shù)選取時(shí)可以作為參考。

（3）EH4 電磁成像系統(tǒng)采集方法有張量測(cè)量和標(biāo)量測(cè)量，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件選用，對(duì)于沉積地層、斷裂構(gòu)造不發(fā)育地層，可選用標(biāo)量測(cè)量，其野外操作更為簡(jiǎn)潔，測(cè)量速度較快，觀測(cè)效果接近張量測(cè)量方式。

（4）EH4 數(shù)據(jù)往往需要多次處理才能得到較滿意的結(jié)果，建議在開展工作時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)EH4數(shù)據(jù)二維反演處理，將EH4結(jié)果與地質(zhì)資料緊密結(jié)合，在對(duì)地電斷面解譯的過(guò)程中加強(qiáng)地層、構(gòu)造的精細(xì)化分析，必要時(shí)采用多種物探手段加以驗(yàn)證。

（5）建議今后工作中可嘗試采用電性參數(shù)判斷深埋隧道巖體的完整性，進(jìn)而對(duì)隧道圍巖完整性分級(jí)進(jìn)行定量分析。