高频大地电磁测深在米仓山特长隧道勘察中的应用研究

第３Ｏ卷第４期　兰州交通大学学报　Ｖ０１．３０　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１１　２０１１年８月　ＪｏｕＹｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈ０ｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　文章编号：１００１—４３７３（２０１１）０４－００４９—０５　高频大地电磁测深在米仓山特长隧道勘察中的应用研究　封崇德，赵虎　６１００４１）　（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都摘要：采用高频大地电磁测深法应用于桃巴高速公路的亚洲第二特长隧道——米仓山隧道构造、岩性的勘察，通　过与钻探及地质调绘的资料对比，ＥＨ４音频大地电磁法可以在宏观上查明深埋隧道地层岩性分界、地质构造（断　层、岩溶）及其赋水性，为钻孔布置及隧道设计、施工提供地球物理依据，在深埋隧道勘察中能起到理想的效果．　关键词：高频大地电磁测深；特长隧道；米仓山；勘察　中图分类号：Ｐ６３１．３２５￣Ｕ４５２．１　文献标志码：Ａ　０引言　近年来，高速公路建设中面对越来越多的深埋　长大隧道，特长深埋隧道由于其平面里程长、深埋　大、地质构造复杂等特点，一直是公路工程地质勘察　的难点．目前公路系统运用最多的方法为地震折射　波法、面波法、地震测井、电测深法，少数采用了地震　Ｅ一　．（３ｃｏｓ２　）　（１）　Ｅ一　Ｅ　一—　．。　ｓｉｎ２Ｕ　２０（２）（ｚ）　反射波法，但或多或少存在探测深度浅、速度慢、地　形影响大、精度低等问题．大地电磁法口］是近十几年　来迅速发展起来的一种电磁法勘探新技术，它具有　Ｅ　　Ｅ一（一１）—　・。僭…　３√　ｓ　（３，）　√　…　ｓｉｎ　一　・（４）　Ｈ　・工作效率高、探测深度大、分辨率高、受地形影响相　对较小、抗干扰性能强、成本较低廉等特点．在１００　１　５００　ｍ深度范围内，能查明电阻率差异较大的　～√　・（３ｃｏｓ２　（５）　ｎ　㈣　Ｈ　一　高、低阻不均匀体，已成功运用在地矿、煤炭、石油、　水利、水电系统的找矿、找水等具体工程中Ｅ２－３３，在公　路勘察方面的运用近年来也取得了不错的效果．米　仓山隧道全长１３．８　ｋｍ，为亚洲第二特长公路隧道，　因其特殊性（位于原始森林的自然保护区），地调及　式中：Ｊ为供电电流强度ｊＡＢ为供电偶极强度；ｒ为　场源到接收点之间的距离．　将式（１）沿Ｘ方向的电场Ｅ　与式（５）沿ｙ方向　钻探工作难以充分进行，通过高频大地电磁测深法，　取得了极为显著效果，对后期地质勘察工作有极大　的指导意义．　的磁场Ｈ　做比值运算，然后再经过一些简单运算，　就可获得地下视电阻率　公式：　一　、　式中：，为频率．由式（７）可见，只要在地面上能观测　到两个正交的水平电磁场（Ｅ，Ｈ　）就可获得地下　１方法原理　高频大地电磁测深法，是基于电磁波传播理论　和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的　电场及磁场公式：　的视电阻率　，也叫卡尼亚电阻率公式．　根据电磁波的趋肤效应理论，在准静态条件下　导出趋肤深度公式为　≈５０３√　（８）　收稿日期：２０１１－０５—２８　作者简介：封崇德（１９６５一），男，湖南安化人，高级工程师　５０　兰州　交通大学学报　第３Ｏ卷　式中：　为趋肤深度；ｌ０为电阻率；ｆ为频率．　虽然趋肤深度在某种意义上与电磁波在介质中　穿透的深度有关，但它并不代表电磁勘探中实际的　有效深度．勘探深度Ｈ是一个模糊的概念，根据经　测量偶极距离，并进行地形改正，误差小于１　ＩＴＩ，方　位差小于１。．　２）电极的布置技术　工作共用４个电极，每两个电极组成一个电偶　极子，与测线方向一致的电偶极子为Ｘ—Ｄｉｐｏｌｅ；与　测线方向垂直的电偶极子为Ｙ—Ｄｉｐｏｌｅ．为了保证Ｘ　—验将地磁波衰减到５０　时的深度称为勘探深度，可　以得到勘探深度的经验公式为　Ｈ￣ｏ．６　一６　Ｄｉｐｏｌｅ方向与Ｙ—Ｄｉｐｏｌｅ方向相互垂直，要用罗盘　仪定向，误差＜±１。；电偶极子的长度用测绳测量，　式（９）表明，随着电阻率的减小或频率增大，探测深　误差＜±０．５　ｒｎ．　度变浅；反之，随着电阻率的增大或频率减小，探测　深度加深．因此，当大地电阻率一定时，通过对不同　频率电磁场强度的测量就可以得到该频率对应深度　的地电参数，从而达到测深的目的［１］．　２　物探工作方法　２．１　高频大地电磁测深法的工作方法　２．１．１　设备组成　ＥＨ一４电导率成像系统是１９９６年由美国ＥＭＩ　与Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｓ两家公司联合研制的，重点解决浅、　中深度范围内工程地质等问题的一种双源型电磁系　统，工作频率范围在０．０１～１００　ｋＨｚ．这是全新概念　的电导率张量测量仪．其利用大地电磁的测量原理，　但配置了特殊的人工电磁波发射源．这种发射源的　天线是一对十字交叉的天线，组成Ｘ、ｙ两个方向的　磁偶极子，轻便而且只用于普通汽车电瓶供电，发射　率从０．５　ｋＨｚ到１００　ｋＨｚ，专门用来弥补大地电磁　场的寂静区和几百赫兹附近的人为电磁干扰谐波．　一起用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，　分别接收Ｘ、ｙ两个方向的磁场和电场．野外工作具　体方法见图１＿　图１　ＥＨ４野外工作方法略图　Ｆｉｇ．１　ＥＨ４　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｏｎ　ｓｉｔｅ　２．１．２　设备布设原则　１）观测点的布置　电偶极方向采用罗盘仪指示，方便快捷；用皮尺　２．１．３　数据采集　该系统的数据采集方式为时间域采集，然后通　过傅氏变换转换为频域信号，再进行分析．即通过对　时间域采集的两个电场分量Ｅ、Ｅ，两个磁场分量　Ｈ　、Ｈ　进行傅氏变换，转换为电磁场频域的实分　量、虚分量．然后计算各频带的视电阻率、振幅、相位　差及全信息相干度等，并实时显示一维图像．　为保证采集到较高精度的资料，数据采集时，以　测线方向为　轴，垂直测线方向为　轴，在测点上沿　ｚ、　方向布置两组相互正交的高频磁探头和电极，　采用“十”字形方式布极．根据地形、地物条件，各个　测点的电极距为８～２０　ｍ不等，布极方向分别平行　（　）和垂直（Ｅ）于测线．同样，磁传感器也分别平　行（　）和垂直（Ｈ　）于测线．接收信号选用两个频　段，低频段接收频率范围为１Ｏ～１　０００　Ｈｚ的信号，　高频段接收频率范围为（０．５～１００　ｋＨｚ的信号．通　过同时观测地表交变电磁场．ｚ、Ｙ方向电场（　、Ｅ）　和磁场（Ｈｘ、Ｈｙ）水平分量的时间序列，然后经过傅　立叶变换和复杂的函数计算可得到地下交变电磁场　的自功率谱和互功率谱，从而计算出大地电磁场的　频率响应，即随频率变化的视电阻率和阻抗相位值．　２．１．４　数据处理　高频大地电磁测深法首先对原始数据进行编　辑，剔除明显的干扰点，对存在静态影响的数据进行　空间滤波，形成频率一视电阻率等值线图，再通过二　维反演，绘出二维反演断面图；分析以上图件，划分　出异常段；把异常和其它辅助物探方法取得的资料　作对照，结合地质资料做出初步地质推断（断层带和　岩性分界的位置）．　对上述初步物探成果进行现场地质调查和异常　核对，并结合已知的地质资料进行综合推断，形成最　后地质结果，绘制物性地质断面图，并得出各地质构　造（本次物探主要为断层和岩性分界）的特征和性　质，填绘综合成果平面图．流程图如图２所示．　第４期　封崇德等：高频大地电磁测深在米仓山特长隧道勘察中的应用研究　５１　正式开展工作之前，为了解工区的电性参数，进行了　物探电性参数实测，通过资料分析可知，工区表层块　碎石土的电阻率为１００￣３００　Ｑ・ｍ，火成岩段基岩　ｌ数据编辑ｌ　Ｉ　ｌ　近场改正　Ｉ静态校正　以花岗闪长岩为主，完整岩体电阻率较高，沉积岩段　基岩以灰岩与砂岩为主，完整岩体电阻率较高；断层　嘲　ｌ竺竺　竺　Ｉ　电阻率　面分析ｆ　ｒ　．综合推断ｌ———．　ｊ　一　　（已知地质资料（　图２数据处理流程图　Ｆｉｇ．２　Ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｈａｒｔ　３应用实例　３．１隧址概况　米仓山隧道全长１３．８　ｋｍ，为亚洲第二长公路　隧道，地跨川、陕两省，地质条件极其复杂，隧道全线　位于米仓山国家森林公园内，植被茂密，交通不便．　隧址区属中深切割的侵蚀一构造剥蚀地貌，呈　块状山地形，海拔约８３５～２　２００　１ＴＩ，相对高差约　１　３６５　ｍ，属高中山地形地貌．区内闪长岩山体陡峻，　山顶呈尖峰；沉积岩山峰一般浑圆，在山体上横向冲　沟发育，树枝状，个别切割较深，形成峡谷、陡崖等地　貌．地形地貌受地层岩性和地质构造控制，在隧道中　部一带多形成宽缓的溶蚀、剥蚀槽状地形，在两侧白　云岩、变质砂岩分布地带常形成鳍脊陡坡、悬崖．　隧址区所处区域构造背景为杨子准地台的北　缘，跨及四川中坳陷区及地台北缘坳陷褶皱带两个　二级构造单元，处在秦岭东西向复杂构造带与龙门　山华夏系构造的结合部，应力场较复杂，南端位于弧　形构造大巴山歪弧褶带内，区域上有古华夏系、东西　向构造和新华夏系３种构造体系．　隧址区断裂、褶皱及构造破碎带发育，据工程地　质调绘资料，区内地表发育较大的断层主要有３条，　但由于岩浆及区域地质构造作用，局部地层中可能　发育有隐伏断裂，对隧道工程有较大影响．　３．２地球物理特征　在物探工作前期和工作进程期间，对隧道区域　内代表性岩石的电性参数做了直流电测深测试，在　破碎带较为破碎含水，整体表现为高阻背景中的低　阻带状延伸体，具体测试结果见表１．　表１工区电阻率参数　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｐａｒｍｎｔｅｒｓ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｉｔｅ　地层岩性　视电阻率Ｐｓ／（Ｑ・ｍ）　从表１中可以看出，各种岩层的电阻率有一定　的差异，而各类正常岩体与断层及构造破碎带的电　性参数差异较大，这就为物探工作提供了地球物理　前提并为资料分析提供了解释依据．　３．３测线布置及数据采集　根据掌握的该区地质资料和物探工作的技术要　求，物探测线沿隧道线路贯通，在地表沿推荐线方案　右线隧道轴线布置，点距一般采用３０￣４０　ｍ，异常　地段适当加密钡０点．　３．４室内资料处理与解译　３．４．１资料成果　资料按前述方法进行处理，用相关软件进行反　演成图（图３～５），再参考地质调绘资料进行解释，　具体解释结果如下（成果解译的关注点为隧道设计　线附近的地质情况，下文所述一般指隧道设计线附　近位置的相关情况）．　３．４．２资料解释　１）岩性解译　隧道穿越的地层相对较为简单，主要为闪长岩　类岩层、灰岩、泥质灰岩、砂质页岩，仅在进出口段有　一定厚层的第四系地层．　隧道ＡＫ３９＋４５０（进口）￣ＡＫ４３＋８００段围岩　为灰岩、泥质灰岩、砂质页岩互层，主要为软岩、极软　岩，其工程性质较差．ＡＫ４３＋８００　ＡＫ５３＋２００（出　口）段隧道洞身围岩为花岗闪长岩，岩质坚硬，为硬　质岩，工程地质条件较好．在ＡＫ４９＋０００￣ＡＫＳ０＋　０００段夹有板岩，但离隧道洞身较远，对隧道工程不　第４期　封崇德等：高频大地电磁测深在米仓山特长隧道勘察中的应用研究　表３米仓山隧道轴线围岩分类　５３　Ｔａｂ．３　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ａｒｏｕｎｄ　ＭｉｃａｎｇｓｈａｎＴｕｎｎｅｌ　４结束语　１）利用ＥＨ４电磁测深方法，成功地在复杂地　形地质条件下对米仓山隧道的岩性、构造、地下水进　行了解译，结合区域地质情况、地质调查情况进行了　围岩类别的划分，达到了预期效果，并经后期勘察工　作的验证与实际情况基本吻合．　２）ＥＨ４电磁测深法具有工作效率高、探测深　里程桩号　视电阻率ｐＪ（ｆｌ・ｍ）　围岩类别　度大、分辨率高、受地形影响相对较小、抗干扰性能　４）含水带解译　隧道穿越地层为较多，岩性主要为砂岩、页岩、　白云岩、灰岩和闪长岩为主，根据地下水在岩层中的　强、成本较ＭＴ低廉等特点，在１００　１　０００　ｍ深度　范围内，能发现所有的电阻率差异较大的高、低阻不　均匀体，是公路长大深埋隧道勘察的一种行之有效　的手段，值得加以推广应用．　３）由于ＥＨ４电磁测深法不能提供岩体波速，　且局部具有多解性，工作中应尽量采用多种勘察手　段，并用少量钻孔加以验证，使地质成果更接近实际　情况　。引．　参考文献：　［１］汤井田，何继善．可控源音频大地电磁法及其应用　ＥＭ］．长沙：中南大学出版社，２００６．　Ｅ２］孙英勋．ＣＳＡＭＴ法在高速公路长大深埋隧道勘察中　的应用研究ＥＪ］．地球物理学进展，２００５，２０（４）：１１８４—　１１８９．　赋存条件及水力特征，可分为第四系松散堆积层孔　隙潜水、碎屑岩孔隙裂隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水和　岩浆岩基岩裂隙水．从物探成果资料看，沉积岩地层　段（ＡＫ３９＋４５０～ＡＫ４３＋８００）整体电阻率在剖面　上呈低阻或极低阻区域，推测为裂隙水或岩溶水；花　岗闪长岩中主要富水区为断层破碎带，Ｆｗ１、Ｆｗ７　构造破碎带电阻率值较低，岩石破碎程度高，地表植　被茂密，含水程度较高，后期工作中应给予重视；　Ｆｗ２、Ｆｗ４构造破碎带电阻率较低且破碎带较宽，也　是相对比较富水带．　５）地质验证　根据物探解释成果，分别在Ｆｗ４、Ｆｗ６（对应桩　号ＡＫ４７＋３５０、ＡＫ５１＋１６０）处布设深孔，根据钻孔　Ｅ３］张亮国，徐义贤，王云安．高密度电法在沪蓉高速公路　揭露，两个位置岩芯较为破碎且含水，且局部有断层　泥，与物探推测解译结果吻合性较好．　地质调查推测ＡＫ４３＋８００位置为沉积岩与火　成岩分界位置，而物探电性剖面反应出在此位置两　侧电性差异极大，与地调结果完全一致．　勘察中的应用［Ｊ］．岩土工程技术，２００４，１８（４）：１８７—　１９０．　［４］陈仲侯，王兴泰，杜世汉．工程与环境物探教程［Ｍ］．北　京：地质出版社，１９９９．　［５］底青云，王妙月，石昆法，等．ｖ６多功能系统及其在　ＣＳＡＭＴ勘察应用中的效果［Ｊ］．地球物理学进展，　２００２，１７（４）：６６３—６７０．　在ＡＫ４９＋０００￣ＡＫ５０＋００的向斜构造在物探　电性剖面也反应较好．　［６］赵虎，王玲辉，李瑞．综合电法在深埋长隧道勘查中的　应用研究［Ｊ］．勘察科学技术，２００８（２）：６１—６４．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃ　Ｓｏｕｎｄｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　Ｍｉｃａｎｇｓｈａｎ　Ｅｘｔｒａ－ｌｏｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｓ　ＦＥＮＧ　Ｃｈｏｎｇ—ｄｅ，　ＺＨＡＯ　Ｈｕ　（Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｐ｜ａｎｎｉｎｇ￣ｕｒｖｅｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００４１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃ　ｓｏｕｎｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ａｓｉａ　Ｓ　ｓｅｃｏｎｄ　ｅｘｔｒａ—ｌｏｎｇ　ｈｉｇｈ—　ｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　Ｍｉｃａｎｇｓｈａｎ　Ｔｕｎｎｅ１．Ｂｙ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｒｖｅｙ，ＥＨ４　ａｕｄｉｏ—ｆｒｅ－　ｑｕｅｎｃｙ　ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｙ　ｔｈｅ　ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ｆａｕｌｔｓ，ｋａｒｓｔ）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ａｔ　ｔｈｅ　ｍａｃｒｏ　ｌｅｖｅｌ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌａｙｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｓｕｒｖｅｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐｌｙ－ｂｕｒｉｅｄ　ｌｏｎｇ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃ　ｓｏｕｎｄｉｎｇ；ｅｘｔｒａ—ｌｏｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ；Ｍｉｃａｎｇｓｈａｎ；ｓｕｒｖｅｙ