綜合物探在城市輸水隧洞勘察中的應(yīng)用研究

陳爽爽 侯欽禮 張建清 張智 李鵬

摘要：

因強(qiáng)震動(dòng)、電磁干擾環(huán)境影響，城市輸水隧洞勘察中諸多物探方法應(yīng)用受限，應(yīng)根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體大小、埋深、施工場(chǎng)地、干擾等因素綜合確定勘探方法。以深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞物探勘察為例，介紹了微動(dòng)探測(cè)、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法的方法原理及觀測(cè)系統(tǒng)，分析了各方法在城市環(huán)境下的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：城市輸水隧洞勘察在強(qiáng)震動(dòng)、電磁干擾區(qū)域宜采用微動(dòng)探測(cè)等被動(dòng)源彈性波法，無電磁干擾或弱電磁干擾區(qū)域可采用電磁法、直流電法，且其探測(cè)成果應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境綜合分析，以識(shí)別其中的“假異?！?。研究成果可為類似工程地質(zhì)勘查提供一定參考。

關(guān) 鍵 詞：

輸水隧洞； 綜合物探； 微動(dòng)探測(cè)； 可控源音頻大地電磁法； 高密度電阻率法； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號(hào)： TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.037

0 引 言

中國人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4，全國范圍內(nèi)普遍存在缺水情況且具有不斷加劇的趨勢(shì)［1］。為優(yōu)化水資源配置，解決水資源空間分布與人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展之間的矛盾，中國自20世紀(jì)80年代開始興建引調(diào)水工程［2］。近年來，為實(shí)現(xiàn)大型引調(diào)水工程水資源在城市內(nèi)的再分配，一些大、中型城市開始修建市內(nèi)輸水隧洞工程。

城市輸水隧洞勘察主要采用鉆探和物探兩類方法。其中物探方法具有無損、高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)鉆探方法“一孔之見”的不足，克服城市施工場(chǎng)地受限、地下管線極易被破壞的問題，快速實(shí)現(xiàn)輸水隧洞沿線隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)［3］。

物探方法為利用探測(cè)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)在導(dǎo)電性、介電性、波阻抗等方面存在差異以實(shí)現(xiàn)勘探的一類方法，可分為彈性波法、電磁法、直流電法等。目前，勘察常用物探方法主要有縱波反射法、橫波反射法、主動(dòng)源面波法、微動(dòng)探測(cè)、高密度電阻率法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法、可控源音頻大地電磁法等。

城市輸水隧洞物探勘察方法選擇應(yīng)充分考慮城市強(qiáng)震動(dòng)、電磁干擾等特點(diǎn)，利用環(huán)境中的有效信號(hào)識(shí)別“假異?！薄?/p>

處于強(qiáng)震動(dòng)、電磁干擾環(huán)境，諸多物探方法應(yīng)用受限，其勘察方法選擇應(yīng)充分考慮探測(cè)目標(biāo)體大小、埋深、場(chǎng)地、干擾等因素。

本文以深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，分析微動(dòng)探測(cè)、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法等物探方法在城市環(huán)境下的應(yīng)用效果。

1 工程概況

羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡(jiǎn)稱“羅-鐵工程”）是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)配套項(xiàng)目之一。輸水隧洞洞徑約5.2 m，全長(zhǎng)約21.68 km，其中南、北段屬丘陵地貌，中間段約11 km位于主城區(qū)，屬?zèng)_洪積地貌，輸水干線采用深埋隧洞形式，平均埋深約70 m。

工程區(qū)第四系分布廣泛，城區(qū)段表層多為人工填土，其下為沖洪積淤泥質(zhì)土、黏土、砂、砂礫石等，丘陵段地表主要為殘坡積砂質(zhì)黏土、黏土等。基巖包括沉積巖、變質(zhì)巖、侵入巖三大類，其中沉積巖以泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖等為主；變質(zhì)巖以片巖、片麻巖等為主；侵入巖以花崗巖為主。此外，工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，褶皺劇烈、接觸關(guān)系復(fù)雜，隧洞穿越多條斷裂帶，斷裂影響帶寬數(shù)米至數(shù)十米不等，工程特性差，主要工程地質(zhì)問題為斷層破碎帶、風(fēng)化深槽等。

2 方法原理及觀測(cè)系統(tǒng)

2.1 方法選擇

工程區(qū)主要介質(zhì)的電阻率、縱波速度、橫波速度值如表1所列。

由表1可知，工程區(qū)內(nèi)不同巖性或同一巖性不同風(fēng)化程度巖體之間的電阻率、波速存在明顯差異。當(dāng)斷層破碎、風(fēng)化深槽等不良地質(zhì)體發(fā)育時(shí)，與周圍介質(zhì)之間也會(huì)產(chǎn)生明顯的電阻率、波速等物性差異。物性差異為采用彈性波法、電磁法、直流電法等查明覆蓋層厚度、隱伏地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等情況提供了地球物理前提。

羅-鐵工程為典性線性工程，輸水干線兩端位于城郊丘陵地帶，中間段位于城區(qū)，丘陵區(qū)隧洞埋深大，城區(qū)電磁、震動(dòng)等干擾因素眾多，此外輸水線路橫穿廠房、高速公路、鐵路、池塘等地表建筑物眾多，施工場(chǎng)地受限。綜合考慮地球物理?xiàng)l件、干擾因素、探測(cè)深度和場(chǎng)地條件等，本次物探勘察遵循城區(qū)采用微動(dòng)探測(cè)，丘陵區(qū)采用可控源音頻大地電磁法，進(jìn)、出水口位置采用高密度電阻率法的基本原則。

2.2 微動(dòng)探測(cè)

微動(dòng)是地球表層時(shí)刻存在著的天然微弱振動(dòng)，震源主要為地殼運(yùn)動(dòng)、風(fēng)、海浪、火山活動(dòng)、潮汐等自然現(xiàn)象以及行駛車輛、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)等人類活動(dòng)，前者稱為長(zhǎng)波微動(dòng)，一般頻率小于1 Hz，后者稱為常時(shí)微動(dòng)，一般頻率大于1 Hz。微動(dòng)是由體波（P波和S波）與面波（Rayleigh和Love波）組成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，面波的能量約占信號(hào)總能量的70%。微動(dòng)探測(cè)是在地表通過特定的觀測(cè)系統(tǒng)記錄微動(dòng)信號(hào)，并提取其中包含的頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質(zhì)橫波的速度結(jié)構(gòu)。

微動(dòng)探測(cè)常用的觀測(cè)系統(tǒng)有圓形（嵌套三角形）臺(tái)陣、“十”字形臺(tái)陣、“T”形臺(tái)陣、“L”形臺(tái)陣、線性臺(tái)陣等。其中，線性臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)可采用幾十個(gè)臺(tái)站進(jìn)

行滾動(dòng)測(cè)量，一次實(shí)現(xiàn)多個(gè)勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，具有布置靈活、數(shù)據(jù)采集效率高等特點(diǎn)。此外，根據(jù)場(chǎng)地情況，線性臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)每個(gè)滾動(dòng)排列可在垂直測(cè)線方向上布設(shè)幾個(gè)臺(tái)站，用于記錄偏線噪聲源水平，必要時(shí)進(jìn)行噪聲源方位角校正，其觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖1所示。本工程為線性工程，為高效地進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集，故采用線性臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)。

觀測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)：臺(tái)陣排列長(zhǎng)度200 m；臺(tái)站間距10 m；勘探點(diǎn)距10～20 m；采樣率2 ms；采集時(shí)間30 min。

2.3 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法是基于音頻大地電磁法和大地電磁法發(fā)展起來的采用人工場(chǎng)源建立諧變電磁場(chǎng)來進(jìn)行頻率域測(cè)深的方法，在固定收發(fā)距r的情況下，人為改變電磁場(chǎng)的頻率f，以達(dá)到探測(cè)地下不同深度地層構(gòu)造的目的。一般來說，高頻數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，低頻數(shù)據(jù)反映深部的電性特征。因此，可控源音頻大地電磁法在一個(gè)寬頻帶上觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，由此計(jì)算出視電阻率，進(jìn)而推斷測(cè)區(qū)地電特征和地下構(gòu)造發(fā)育情況，其主要用于區(qū)域隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。

本次可控源音頻大地電磁法通過場(chǎng)源試驗(yàn)，確定收發(fā)距約3 km，供電電極距約1.2 km，場(chǎng)源發(fā)射頻率10～9 648 Hz，發(fā)射電流3～20 A，接收采用標(biāo)量共磁道觀測(cè)系統(tǒng)，電極距20 m，測(cè)點(diǎn)距20 m，一次完成5個(gè)勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。標(biāo)量共磁道觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖2所示。

2.4 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以巖（礦）石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種陣列式直流電法勘探。該方法主要通過觀測(cè)在施加電場(chǎng)的作用下地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的目標(biāo)體的賦存情況。最大特點(diǎn)是可以一次性沿測(cè)線同時(shí)布設(shè)幾十到幾百根電極，按選定的供電、測(cè)量排列方式自動(dòng)采集測(cè)量電極間的電位值及回路中的電流值。電極距可以視探測(cè)深度和探測(cè)目標(biāo)體的尺度進(jìn)行設(shè)置。圖3為高密度電阻率法溫納裝置觀測(cè)示意。

本次高密度電阻率法采用溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電極距10 m，排列長(zhǎng)度590 m，供電電壓180 V。

3 應(yīng)用效果分析

羅-鐵工程物探勘察完成微動(dòng)探測(cè)55 km，共3 050 個(gè)測(cè)點(diǎn)，可控源音頻大地電磁法探測(cè)7 km，共351個(gè)測(cè)點(diǎn)，高密度電阻率法探測(cè)約5 km。下面結(jié)合實(shí)例，討論分析各方法在城市輸水隧洞勘察中的應(yīng)用效果。

3.1 微動(dòng)探測(cè)

該工程微動(dòng)探測(cè)主要布置于城區(qū)，采用線性觀測(cè)系統(tǒng)，所獲得的背景噪聲數(shù)據(jù)可以有效地進(jìn)行頻散曲線拾取，進(jìn)而獲得地下介質(zhì)視橫波速度結(jié)構(gòu)。但受線性觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)排列觀測(cè)方式影響，勘探體積效應(yīng)較大，所得視橫波速度與真橫波速度之間存在系統(tǒng)誤差，且淺部存在勘探盲區(qū)，盲區(qū)深度一般與臺(tái)站間距一致。

圖4為花崗巖地層微動(dòng)探測(cè)視橫波速度斷面圖。由圖4可知，視橫波速度由淺至深呈增大趨勢(shì)，等值線成層性較好，視橫波速度值整體較花崗巖橫波速度值偏低；測(cè)點(diǎn)11～17位置視橫波速度橫向發(fā)生變化，等值線呈“下凹”形態(tài)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，推斷為斷層破碎帶。根據(jù)此探測(cè)成果，在15號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，布置了Z17鉆孔對(duì)該異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔揭露巖體完整性較差，存在碎裂巖，為區(qū)域斷層影響帶。

3.2 可控源音頻大地電磁法

本工程可控源音頻大地電磁法測(cè)線布置于丘陵區(qū)，探測(cè)成果表明，無電磁或弱電磁干擾區(qū)域，可以有效獲得地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)電磁干擾區(qū)域或場(chǎng)源與測(cè)線之間存在電磁干擾源時(shí)，電道和磁道信號(hào)數(shù)據(jù)畸變嚴(yán)重，一般會(huì)引起大范圍的低阻異常響應(yīng)。

圖5為花崗巖地層可控源音頻大地電磁法視電阻率斷面圖。圖（a）測(cè)線附近存在高壓線電塔，受其電磁干擾影響，視電阻率值整體偏低，表現(xiàn)為極低阻響應(yīng)，與Z2、Z5鉆孔揭露的巖芯情況不符，即為“假異?！?。圖（b）測(cè)線附近無電磁干擾，視電阻率值由淺至深逐漸增大，測(cè)點(diǎn)1～7在高程-20～40 m范圍內(nèi)視電阻率較低，推斷為風(fēng)化深槽，ZJ6鉆孔揭露該處全風(fēng)化花崗巖底界面高程約為-17 m。

3.3 高密度電阻率法

該工程高密度電阻率法測(cè)線主要布置于進(jìn)、出水口位置，探測(cè)成果表明，無游散電流分布區(qū)域可以獲得地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)，在高壓電塔接地等游散電流分布區(qū)域，測(cè)量電位、電流畸變點(diǎn)較多，一般在中、淺部會(huì)引起閉合狀低阻異常響應(yīng)。

圖6為高密度電阻率法視電阻率斷面圖。圖（a）測(cè)線位于片麻巖地層，樁號(hào)170，260 m附近存在高壓電塔，相應(yīng)的在視電阻率斷面圖中出現(xiàn)閉合狀低阻異常區(qū)，與A3鉆孔揭露巖芯情況不符，即為“假異?！薄D（b）測(cè)線位于花崗巖地層，由淺至深視電阻率值呈增大趨勢(shì)，成層性較好，以視電阻率值1 700 Ω·m作為基巖-覆蓋層分界面，推斷覆蓋層厚度與Z11鉆孔揭露覆蓋層厚度誤差0.8 m。

4 結(jié) 論

本文以深圳市羅-鐵工程物探勘察為例，在對(duì)微動(dòng)探測(cè)、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法方法原理、觀測(cè)系統(tǒng)介紹的基礎(chǔ)上，分析研究了其在城市環(huán)

境下的應(yīng)用效果，結(jié)論如下：

（1） 微動(dòng)探測(cè)線性觀測(cè)系統(tǒng)可有效獲得地下介質(zhì)視橫波速度結(jié)構(gòu)，但受長(zhǎng)排列觀測(cè)方式影響，勘探體積效應(yīng)較大，所得視橫波速度與真橫波速度之間存在系統(tǒng)誤差，且淺部存在勘探盲區(qū)，盲區(qū)深度與臺(tái)站間距成正比。

（2） 可控源音頻大地電磁法探測(cè)效果受測(cè)點(diǎn)附近及場(chǎng)源與測(cè)線之間的電磁干擾影響較大，強(qiáng)電磁干擾

一般會(huì)造成大范圍極低阻“假異常”，無強(qiáng)電磁干擾時(shí)可有效進(jìn)行隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。

（3） 高密度電阻率法探測(cè)效果受電極附近游散電流影響較大，一般會(huì)造成一定范圍的閉合狀低阻“假異?！?，無游散電流干擾時(shí)可有效進(jìn)行覆蓋層厚度、隱伏地質(zhì)構(gòu)造等探測(cè)。

（4） 城市輸水隧洞勘察強(qiáng)電磁、震動(dòng)干擾區(qū)域宜采用微動(dòng)探測(cè)等被動(dòng)源彈性波法，無電磁干擾或弱電磁干擾區(qū)域可采用電磁法、直流電法，其探測(cè)成果應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境綜合分析，以識(shí)別其中的“假異常”。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 鈕新強(qiáng)，張傳健.復(fù)雜地質(zhì)條件下跨流域調(diào)水超長(zhǎng)深埋隧洞建設(shè)需研究的關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.隧道建設(shè)（中英文），2019，39（4）：523-536.

［2］ 王志強(qiáng)，李廣誠.中國長(zhǎng)距離調(diào)水工程地質(zhì)問題綜述［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，28（2）：412-420.

［3］ 陳爽爽，李鵬，張智，等.線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波法在地下空間探測(cè)中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（2）：77-81.

（編輯：郭甜甜）