EH4測量系統(tǒng)在公路隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

陳永飛 李 振

（江西省地質(zhì)局有色地質(zhì)大隊(duì)，江西 贛州 341000）

0 引言

隨著交通工程建設(shè)的增多，隧道建設(shè)工程出現(xiàn)突水突泥塌方事故，造成重大安全事故，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失；朱捷等人[1]對隧道坍塌的主要因素進(jìn)行了歸類，分為地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)因素、施工因素三大類，各影響因素的統(tǒng)計(jì)概率分別為57.8%、10.9%、31.3%，其中設(shè)計(jì)因素及施工因素也跟地質(zhì)條件的不明有關(guān)。軟巖、巖溶發(fā)育、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體及地下水發(fā)育是這些事故發(fā)生的重要原因。隧道周圍不良地質(zhì)體分布情況對隧道的設(shè)計(jì)路由方案的比選有重要的參考意義。

EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀具有探測深度大、分辨率高、設(shè)備輕便、探測效率高等特點(diǎn)，并能實(shí)時(shí)顯示時(shí)間序列、功率譜圖像，有利于專業(yè)人士在野外現(xiàn)場快速進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的判斷，一般情況下，完成一個(gè)1000m深度的電磁測深點(diǎn)，只需要15min。楊春利等人[2]使用EH4用于探測煤礦區(qū)中的采空區(qū)和富水區(qū)，曾玉嬌等[3]使用EH4用于探測鉛鋅礦礦體，李維群等[4]采用EH4用于探測堤壩滲漏，均取得了很好的效果。該文通過EH4進(jìn)行對隧道沿線地質(zhì)情況進(jìn)行AMT測量，為隧道設(shè)計(jì)路由選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及資料。

1 方法原理

大地電磁測深（MT）與電測深原理不同，它是把天然交變電磁場作為場源，交變電磁場由于有電磁感應(yīng)作用，當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，地面電磁場的測量值將包括地下介質(zhì)電阻率分布信息[5]。根據(jù)電磁波傳播理論、亥姆霍茲方程推導(dǎo)可得視電阻率ρ如公式（1）所示。

式中：ρ的單位是Ω·m；E為電場強(qiáng)度，mV/km；H為磁場強(qiáng)度，nT。

電磁場在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，電磁場的振幅將隨深度而減小，當(dāng)衰減到初始值1/e時(shí)，此時(shí)電磁波傳播的距離為趨膚深度δ（單位m），如公式（2）所示。

趨膚深度δ與頻率的平方根成反比，與地下介質(zhì)的電阻率的平方根成正比。由公式（2）不難看出，當(dāng)介質(zhì)的電阻率一定時(shí)，工作頻率越高，探測深度越小，工作頻率越低，探測深度越大，所以在一個(gè)頻帶上從高頻到低頻測量不同頻點(diǎn)上的電場和磁場，即可計(jì)算出電阻率和相位沿深度的變化規(guī)律，從而判定該點(diǎn)一定體積范圍內(nèi)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，這就是大地電磁測深（MT）的基本原理，AMT使用的頻段為音頻頻段。本次AMT測量采用的儀器為EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀。測量頻段為10Hz～100kHz，其探測深度大致在10m～800m。

2 勘查區(qū)概況

南雅隧道位于浙江省溫州市鹿城區(qū)藤橋鎮(zhèn)，隧道起于K16+300，止于K18+400，全長2100m，最大埋深380m；勘查區(qū)內(nèi)植被茂密，浮土覆蓋后，地表露頭少，區(qū)內(nèi)出露的地層主要有第四系、侏羅系凝灰?guī)r及流紋斑巖；區(qū)域構(gòu)造主要有兩條大斷裂，一是溫州—鎮(zhèn)海大斷裂，走向25°，由一系列北北東向及北東向斷裂組成寬達(dá)1km～10km的斷裂帶；二是淳安—溫州大斷裂，走向310°～320°，斷裂中有石英脈、花崗斑巖脈充填。第四系電阻率值范圍n～n×102Ω·m；侏羅系凝灰?guī)r及流紋斑巖電阻率值范圍n×103～n×105Ω·m；斷裂構(gòu)造巖石破碎裂隙發(fā)育，多被水或泥質(zhì)物質(zhì)充填，通常反應(yīng)為明顯的低阻異常。

為查明隧道巖性分界線位置、斷層破碎帶寬度及產(chǎn)狀、節(jié)理密集帶寬度，圍巖完整程度及裂隙的發(fā)育情況，為隧道施工提供依據(jù)。隧道右線布設(shè)測線，并在K16+980、K17+700、K18+180位置布設(shè)了三條垂直于隧道的橫向測線，長度分布為1575m、1175m、800m。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

大地電磁測深的理論基礎(chǔ)之一是將垂直入射大地的電磁波（平面波）作為場源，一般說來，信號可以分為近區(qū)信號與遠(yuǎn)區(qū)信號，如高壓線、電網(wǎng)等都屬于典型的近場源，而雷電則屬于遠(yuǎn)區(qū)信號，遠(yuǎn)區(qū)信號有助于對EH4的數(shù)據(jù)采集，而近場源電磁波不符合平面波模式，則形成干擾。實(shí)際采集中應(yīng)注意干擾的影響。儀器在開展正式工作之前應(yīng)檢測儀器是否工作正常，采用平行試驗(yàn)方法檢驗(yàn)，兩個(gè)磁棒相隔距離應(yīng)大于5m，挖坑平行埋入土中（不受風(fēng)、震動(dòng)等影響），兩個(gè)電偶極子方向也平行布設(shè)，磁棒方向與電偶極子方向相互垂直。布設(shè)完成后采集低頻和高頻電磁信號，采集過程中觀察電場和磁場通道的時(shí)間序列信號波形圖，兩個(gè)電場通道之間和兩個(gè)磁場通道之間的波形和強(qiáng)度應(yīng)基本一致，測量結(jié)束后顯示出來的視電阻率、相位、相干度、真電阻率圖形應(yīng)基本重合，此時(shí)才能說明儀器工作正常。

測線方向?yàn)閄方向，Y方向垂直于測線方向，EH4測量系統(tǒng)野外布置電極布設(shè)采用“十”字形，地形無法滿足時(shí)采用“L”或“T”型，兩個(gè)電偶極子方向必須保證垂直，磁棒方向與對應(yīng)電偶極子方向布設(shè)一致并水平埋入土中。小電極距可以提高分辨率，但不是越小越好，電極距太小信噪比太低且易受干擾，本次電極距為25m；測點(diǎn)采用RTK放樣，X、Y方向用地質(zhì)羅盤定向，誤差小于2°；電偶極子長度用測繩測量，誤差小于0.5m。

野外采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量是室內(nèi)解譯的基礎(chǔ)，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，再好的處理技術(shù)均無法發(fā)揮出作用。EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀對環(huán)境要求較高，風(fēng)動(dòng)、電力、噪聲會對其產(chǎn)生影響，野外作業(yè)應(yīng)實(shí)時(shí)觀測時(shí)間序列、功率譜圖像，如有異常應(yīng)及時(shí)排除；每個(gè)測點(diǎn)測量完成后檢查視電阻率、相位、想干度、視電阻率測深曲線，跳點(diǎn)和異常頻點(diǎn)太多應(yīng)重新測量。

3.2 數(shù)據(jù)處理

資料處理應(yīng)按照由已知到未知、由定性到定量的原則。充分收集測區(qū)已有地質(zhì)成果，在了解研究區(qū)基本地質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上來指導(dǎo)音頻大地電磁測深勘察的成果。同時(shí)，對區(qū)內(nèi)測點(diǎn)測深曲線進(jìn)行分析，建立地質(zhì)模型，對測區(qū)構(gòu)造特征建立整體認(rèn)識。在定性認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量化的解釋。

數(shù)據(jù)檢查無誤后用IMAGEM軟件進(jìn)行編輯，刪除跳點(diǎn)和異常頻點(diǎn)，然后導(dǎo)出DAT格式數(shù)據(jù)使用SURFER成圖。這里特別注意的是圓滑系數(shù)的選擇，如果取值過大，那么數(shù)據(jù)擬合度太小、模型較平滑，會濾掉某些地質(zhì)信息；取值過小會導(dǎo)致數(shù)據(jù)擬合度太高，模型較粗糙，有可能引入假的地質(zhì)信息。實(shí)際應(yīng)用是使用不同圓滑系數(shù)成圖，與地質(zhì)資料進(jìn)行對比，本次數(shù)據(jù)處理過程中最終采用的圓滑系數(shù)為0.3，反演電阻率斷面圖分層明顯，能反映本區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。IMAGEM軟件導(dǎo)出的成圖數(shù)據(jù)，并不包括地形數(shù)據(jù)，所以應(yīng)加入地形數(shù)據(jù)進(jìn)行地形改正，再使用SURFER成圖。

4 資料解譯

4.1 解譯標(biāo)志

測區(qū)出露的地層主要為凝灰?guī)r和流紋巖等火成巖，完整層狀地層電阻率較高，當(dāng)有斷裂構(gòu)造的存在時(shí)，地層的連續(xù)性遭受破壞，巖石破碎且多被水或泥質(zhì)物質(zhì)充填，造成電阻率的降低，電磁場的連續(xù)穩(wěn)定性被破壞，使電位場發(fā)生畸變，通常反應(yīng)為明顯的低阻異常。本次資料解釋推斷將根據(jù)上述原則進(jìn)行。

斷裂構(gòu)造推斷標(biāo)志如下：1）在視電阻率斷面圖上，定向延深的低阻帶或等值線梯級帶，是地質(zhì)體在垂直斷層走向上劇烈變化的地帶，為斷層的反應(yīng)；2）在電阻率斷面等值線圖上，等值線呈“U”字型或“V”字型低阻區(qū)，是地質(zhì)體遭受作用力破碎、泥質(zhì)充填或沖水地帶，為斷層的反應(yīng)；3）在電阻率斷面圖上，等值線同步扭曲、線性異常被錯(cuò)斷、轉(zhuǎn)折是平推斷層的反映。

4.2 解譯結(jié)果

4.2.1 南雅隧道

以南雅隧道存在4處斷裂，如圖2所示：1）地表里程K16+850附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F1的電性特征反映，推測該斷層產(chǎn)狀較陡，受該斷層影響，推測K16+800～K16+900段圍巖相對較破碎；2）地表里程K17+250附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F2的電性特征反映，推測該斷層產(chǎn)狀較陡，受該斷層影響，推測K17+200～K17+275段圍巖相對較破碎；3）地表里程K17+475附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F3的電性特征反映，推測該斷層傾向大里程方向，受該斷層影響，推測K17+450～K17+525段圍巖相對較破碎；4）地表里程K17+975附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F4的電性特征反映，推測該斷層產(chǎn)狀較陡，受該斷層影響，推測K17+950～K18+000段圍巖相對較破碎。

4.2.2 南雅隧道備選路線

測線位于K10+400～K12+175，推斷測線存在5條斷裂，1處破碎帶，如圖3所示：1）地表里程K10+750附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F2的電性特征反映，推測該斷層產(chǎn)狀較陡。2）地表里程K10+975附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F3的電性特征反映，推測該斷層產(chǎn)狀較陡。3）地表里程K11+200和K11+525～K11+775附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為環(huán)狀斷層F5的電性特征反映，推測該斷層傾向大里程方向，受該斷層影響，推測K11+150～K11+250和K11+525～K11+775段圍巖相對較破碎。4）地表里程K11+575附近電阻率出現(xiàn)地阻異常，推測圍巖相對較破碎。5）地表里程K12+050附近電阻率出現(xiàn)條帶凹狀相對低阻異常，推斷為斷層F4的電性特征反映，推測該斷層產(chǎn)狀較陡，受該斷層影響，推測K11+950～K12+050段圍巖相對較破碎。

5 結(jié)論

通過本次物探工作，南雅隧道共發(fā)現(xiàn)了5條隱伏構(gòu)造，1處圍巖破碎帶，查明隧道段的地層電性剖面分布特征，可為綜合分析地層展布及巖體完整性提供依據(jù)。一般情況下，視電阻率等值線變化平緩，反映了地層巖性變化平緩；反之，視電阻率等值線的不規(guī)則變化、劇烈變化，也在很大程度上反映了地層巖性的不規(guī)則變化和劇烈變化。

由于野外地質(zhì)情況的復(fù)雜性和物探方法有局限性，因此解釋結(jié)果與實(shí)際情況會有一定差異。在電法工作中，因地形、覆蓋層、地層含水情況等的劇烈變化，也可能導(dǎo)致解釋結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。電性斷面結(jié)果為一定深度介質(zhì)電性的綜合反映，解釋結(jié)果與鉆探結(jié)果可能存在一定差異，物探推測異常應(yīng)結(jié)合鉆探、測繪資料進(jìn)一步核實(shí)確定。