音頻大地電磁法在某隧道勘察中的應(yīng)用

李兆令

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

近幾年來，我國鐵路事業(yè)尤其是高速鐵路飛速發(fā)展，隨著我國經(jīng)濟(jì)總量的快速提升，鐵路運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性與日俱增，扮演著越來越重要的角色。于此同時(shí)，隨著鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提升，長大深埋隧道也越來越多，由于洞身周圍隱伏的溶洞、軟弱層和斷裂構(gòu)造會(huì)對隧道開挖帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，在施工前對隧道洞身一定距離內(nèi)的不良地質(zhì)體等進(jìn)行勘察是十分必要的[1-6]。長大深埋隧道以較長設(shè)計(jì)里程、較大埋藏深度、較復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)為特征，長久以來都是鐵路地質(zhì)勘察領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。音頻大地電磁法勘探深度較大、施工成本低、對低阻分辨率較高，它裝備輕便，通過性好，已成為國內(nèi)外用于山區(qū)長大深埋隧道勘察的主要方法。

新建池州到黃山鐵路位于安徽省南部地區(qū)，線路串起多個(gè)以險(xiǎn)著稱的自然風(fēng)景區(qū)，如黃山、九華山和太平湖等，是一條致力服務(wù)于旅游業(yè)的高速鐵路。沿線皆為山區(qū)，其間溝壑縱橫，山高溝深，地勢險(xiǎn)峻，地表水系密度大，地下暗河眾多，植被繁茂，通視較差，地質(zhì)情況極其復(fù)雜。全線橋隧比接近90%，其中隧道長度占線路總里程的比例超過60%，隧道的勘察工作在整個(gè)線路的勘察任務(wù)中占比極大，是一項(xiàng)重要且基礎(chǔ)的工作。

1 地質(zhì)與地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

隧道里程較長，山高溝深，地勢較陡，植被茂密。根據(jù)地質(zhì)資料，該區(qū)巖性主要為第四系殘坡積，青白口紀(jì)鄧家組和鋪嶺組。

1.1.1 鄧家組

區(qū)內(nèi)主要出露上段，顏色較淺，分為三部分，下部以長石石英砂巖為主，多呈灰色或青灰色，中部以石英砂巖夾細(xì)砂巖和粉砂巖為主，多呈深灰色或灰白色，上部為韻律層，一般由長石砂巖或長石石英砂巖與石英砂巖互層構(gòu)成，多呈灰白色。該段粒度由中粒向中粗粒轉(zhuǎn)化，碎屑的成熟度較高，砂巖由厚層向巨厚層演變，為下段上部開始的進(jìn)積層序的繼續(xù)發(fā)展。

1.1.2 鋪嶺組

鋪嶺組為一套基性火山巖系，在區(qū)內(nèi)多呈灰紫色和灰綠色，杏仁狀、氣孔狀發(fā)育[7-8]。該組發(fā)育在鄧家期之后，下部為鄧家期形成的鄧家組的穩(wěn)定板巖，二者為平行不整合接觸。它是在水體相對較淺的濱海帶環(huán)境中以巖漿為主溢流噴發(fā)的產(chǎn)物，以鈣質(zhì)堿質(zhì)巖石為主，主要巖性為橄欖玄武巖、綠簾石化陽起石化流狀玄武巖、杏仁狀玄武巖、安山玄武巖和凝灰?guī)r、中酸性火山灰層狀凝灰?guī)r。

1.1.3 構(gòu)造

工作區(qū)內(nèi)發(fā)育走向以近EW--NE向?yàn)橹鞯臄鄬?，斷層傾向NE或NW，斷面陡傾。

1.2 地球物理特征

物探勘察采用音頻大地電磁測深法。巖石的電阻率主要與其自身結(jié)構(gòu)、礦物成分、破碎程度及地層富水情況有關(guān)。其中，巖石自身結(jié)構(gòu)和礦物成分對電阻率起著基礎(chǔ)作用，它們使巖石電阻率的變化保持在一定范圍之內(nèi)，由于不同種類巖石的結(jié)構(gòu)和礦物成分不同，故電阻率會(huì)產(chǎn)生一定差異。對于同種巖石來說，當(dāng)巖層受到破壞，巖石發(fā)生破碎或裂隙時(shí)，地下水會(huì)滲入，導(dǎo)致電阻率降低，降低幅度與巖石破碎程度和富水情況有關(guān)。通過研究巖石或地層的電性分布特征可以大致推斷地下地質(zhì)體的產(chǎn)狀特征、空間形態(tài)等，再結(jié)合各巖性視電阻率數(shù)值區(qū)間，可以對地質(zhì)體作出定性地判斷。綜合直流電測深對稱四極裝置在巖石露頭測定結(jié)果和工作區(qū)地球物理反演結(jié)果，得出各類巖石的電阻率值(表1)。

表1 各類巖石電阻率統(tǒng)計(jì) ρ(Ω·m)

通過工區(qū)各類巖石電阻率統(tǒng)計(jì)表可以得到三個(gè)結(jié)論：

(1)區(qū)內(nèi)不同種類巖石之間電阻率差異明顯。區(qū)內(nèi)巖性主要以玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r和石英砂巖為主，對于完整巖石來說，玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r在露頭測定的電阻率在1420～6710Ω·m之間，反演電阻率大部分在1500～5000Ω·m之間，石英砂巖在露頭測定的電阻率在1920～12450Ω·m之間，反演電阻率大部分在2000～10000Ω·m之間，二者差異明顯。

(2)同種巖性之間完整或破碎性不同，電阻率也不同。以玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r為例，較完整巖石在露頭測定的電阻率在1420～6710Ω·m之間，反演電阻率基本在1500～5000Ω·m之間，較破碎巖石在露頭測定的電阻率在430～1370Ω·m之間，反演電阻率多在500～1500Ω·m之間，電阻率變化幅度隨著巖石破碎程度的不同而不同。

(3)斷層破碎帶電阻率較低。從表1可知，斷層破碎帶在露頭測定的電阻率在160～1340Ω·m之間，反演電阻率多在500～1500Ω·m之間，與較破碎的玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r相當(dāng)，明顯低于石英砂巖。

綜上所述，本區(qū)不同巖性、構(gòu)造斷裂帶之間電阻率差異明顯，同種巖性之間隨著巖石完整或破碎程度的不同視電阻率也有著較大差異，為開展音頻大地電磁法勘探提供了較好的地球物理前提。

2 主要方法技術(shù)

2.1 方法原理

音頻大地電磁法場源與大地電磁測深一致，均為天然交變電磁場。音頻大地電磁觀測的是天然變化的電磁場的時(shí)間域序列信號(hào)，并通過換算將其轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域數(shù)據(jù)，提取視電阻率曲線與相位曲線特征信息，再通過反演計(jì)算，得到地層的電阻率及厚度值的信息，從而達(dá)到研究地下電性分布規(guī)律、探測地層巖性分布和地質(zhì)結(jié)構(gòu)等目的。鑒于電磁場存在的趨膚效應(yīng)，不同深度地質(zhì)體對不同周期電磁波的響應(yīng)也不同[2,9-18]。隧道工程進(jìn)行物探勘察的主要目的一般是研究隧道洞身一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，所以測量的時(shí)候多采用較高頻率進(jìn)行，大多在1Hz至10000Hz之間，此頻率區(qū)間對淺部地層具有較高的分辨率，且受高阻層屏蔽影響相對較小，對低阻體探測效果較好。

2.2 測線布置

音頻大地電磁工作測線布置里程為DK93+673～DK102+659段，點(diǎn)距30m，異常地段減小點(diǎn)距，增加了測點(diǎn)個(gè)數(shù)。AMT測點(diǎn)的定位采用手持定位導(dǎo)航儀進(jìn)行，儀器型號(hào)為Etrex 309x，該儀器整合了GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，精度較高。測點(diǎn)盡可能選在開闊且平坦的地段，對于高差較大的溝底或山頂增加地形點(diǎn)，對地表局部存在的電性不均勻體進(jìn)行處理，處理不了的在布極時(shí)盡可能避開；測點(diǎn)選擇時(shí)近可能避開電磁干擾源，如建筑、高壓線、鐵架等，并將干擾源的坐標(biāo)記在記錄本上。

2.3 工作方法

數(shù)據(jù)采集使用北美鳳凰地球物理有限公司生產(chǎn)的V8工作站進(jìn)行。該系統(tǒng)具有抗干擾能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定的特點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)的觀測時(shí)間都在20min以上，當(dāng)環(huán)境干擾較強(qiáng)時(shí)或其資料不能保證達(dá)到勘探深度時(shí)，延長觀測時(shí)間。

野外工作嚴(yán)格按照《鐵路工程物理勘探規(guī)范》TB10013-2010的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，開工前對接收機(jī)、磁棒進(jìn)行了標(biāo)定，確保儀器合格穩(wěn)定。依據(jù)要求的勘探目標(biāo)深度選取合適的頻率范圍，本次儀器選用的V8工作站最高頻率可達(dá)到250kHz。最低頻率的選取必須保證能滿足設(shè)計(jì)的最小探測深度的要求，一般來說，不同工作區(qū)最低頻率并不一樣，與大地電阻率有關(guān)。以前期AMT探測視電阻率測深曲線為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)高頻段(近地表)電阻率。結(jié)果表明，工作區(qū)近地表電阻率一般在1000Ω·m左右，按隧道洞深以下50m探測深度的要求，最低頻率為10Hz。因此，儀器性能足以滿足勘探工作需求。

數(shù)據(jù)采集時(shí)采用不極化電極測量，共四個(gè)，兩兩配對組成電偶極子MN。MN長度20m。兩對MN測量電位差并計(jì)算Ex,Ey(電場水平分量)。數(shù)據(jù)采集裝置以“十”字形裝置為主，在局部地形條件不允許，無法布設(shè)“十”字形的情況下，依據(jù)實(shí)地情況選取另外兩種裝置。其野外測量布置如圖1。

圖1 AMT野外工作布置示意圖

磁棒埋設(shè)：兩水平磁探頭Hx和Hy放置在相對象限內(nèi)，最小間距20m，放置時(shí)使用水平尺校正，以保證其絕對水平，用羅盤打方向以保證二者相互垂直。探頭都埋入坑內(nèi)，入土深度均在35cm以上，用土埋好壓實(shí)。為了防止探頭與儀器間信號(hào)連接線的晃動(dòng)對數(shù)據(jù)采集造成的干擾，放置信號(hào)連接線時(shí)近可能避開雜草和矮樹，每隔一定距離用土壓實(shí)，保證連接線全都貼地。為降低兩線的互相影響，放置時(shí)信號(hào)線均隔開了一定距離。

2.4 資料處理

資料的預(yù)處理采用與V8工作系統(tǒng)配套的SSMT2000軟件進(jìn)行，仔細(xì)檢查各個(gè)測點(diǎn)，對各個(gè)測點(diǎn)設(shè)置正確的觀測系統(tǒng)，檢查電極的位置是否正確，測點(diǎn)高程是否吻合，電場和磁場的噪聲是否在合理范圍，修改校正磁場分量和電場水平分量可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，確保空間屬性的準(zhǔn)確性，將各場量時(shí)間域序列的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各個(gè)頻率的視電阻率和阻抗相位等的頻率域數(shù)據(jù)。

利用SSMT2000軟件計(jì)算得到阻抗文件，然后對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再采用MTEDITOR軟件進(jìn)行資料的后續(xù)精細(xì)化處理工作。在資料處理過程中采用合理的手段，如空間濾波法、曲線平移法，阻抗相位換算法、視電阻率導(dǎo)數(shù)法等進(jìn)行了靜校正，盡量避免了靜態(tài)效應(yīng)形成的所謂“假異?！?。處理完成后，輸出EDI格式文件，使用WINGLINK軟件進(jìn)行視電阻率二維反演。

3 資料解釋及結(jié)果

經(jīng)過精細(xì)處理后，可以反演出測區(qū)的視電阻率值，將其繪制成圖，得到測區(qū)反演視電阻率擬斷面圖(圖3、圖4)，這是音頻大地電磁資料解釋的基本圖件，也是進(jìn)行物探勘察成果推斷的主要依據(jù)。在解釋過程中必須要綜合考慮物探和地質(zhì)兩方面因素，物探資料的分析主要從低電阻率阻異常形態(tài)、視電阻率背景值水平、背景值與低阻異常差異等三個(gè)方面考慮，結(jié)合隧道洞身所處地段所對應(yīng)的地層、構(gòu)造等地質(zhì)資料，分析物探縱斷面電性與地質(zhì)體的對應(yīng)關(guān)系，從而對地層分布、構(gòu)造發(fā)育，巖石完整性，地層含水情況等作出合理地推斷解釋[2]。

圖3 隧道反演視電阻率擬斷面圖

1—風(fēng)化層界線；2—巖石完整性界線；3—斷層；4—隧道洞身；5—鄧家組上段；6—鋪嶺組；7—圍巖等級圖4 隧道推斷成果圖

3.1 巖性劃分

工作區(qū)主要巖性有玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r和石英砂巖，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查所確立的地層關(guān)系及電性特征分析如下：

在反演電阻率擬斷面圖上部，存在一大致平行地形線的高、低阻分布不均勻帶，對應(yīng)了風(fēng)化層的電性特征，推斷為地表風(fēng)化層或殘坡積。

在反演電阻率斷面圖下部電阻率較上部明顯抬升，其中洞身里程DK93+673～DK94+485段電阻率整體較低，對應(yīng)了玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r的電性特征，推斷此段下伏地層為鋪嶺組玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r；其中DK94+385～DK94+485段視電阻率較低，地表局部可見構(gòu)造角礫巖、斷層泥等，推斷此處有斷層存在，傾向NNE，傾角較大。

洞身里程DK94+485～DK99+692段電阻率整體較高，對應(yīng)了石英砂巖的電性特征，推斷此段下伏地層為鄧家組石英砂巖。

3.2 巖體完整性劃分

根據(jù)表1，結(jié)合地層巖性等因素，對巖體的完整性進(jìn)行劃分。對于玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r，一般把視電阻率值大于1500Ω·m同時(shí)高阻區(qū)域較大、視電阻率等值線分布相對比較均勻的地段劃分為較完整巖體，1500Ω·m以下為較破碎巖體；對于石英砂巖，一般把視電阻率值超過2000Ω·m同時(shí)高阻區(qū)域較大、視電阻率等值線分布相對比較均勻的地段劃分為較完整巖體，2000Ω·m以下為較破碎巖體。具體劃分如下：

(1)洞身里程DK93+673～DK94+485段

該段地層為玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r，剖面上部視電阻率大部分在100～500Ω·m之間，推斷為地表風(fēng)化層的反應(yīng)，局部基巖出露，視電阻率變大；洞身里程DK93+673～DK93+982段，視電阻率值較低，ρ=500～1500Ω·m，分析該段巖體破碎；洞身里程DK93+982～DK94+382段，ρ=1500～5000Ω·m，推斷該段巖體較完整；洞身里程DK94+382～DK94+485段電阻率值較低，ρ=500～1500Ω·m，推斷該段巖體較破碎，發(fā)育斷層。

(2)洞身里程DK94+485～DK99+692段

該段地層為石英砂巖，剖面上部存在一大致平行地形線的高、低阻分布不均勻帶，低阻主要為地表風(fēng)化層的反應(yīng)，高阻推斷為局部基巖出露所致；洞身里程DK94+485～DK95+483段視電阻率值較低，ρ=1000～2000Ω·m，推斷該段巖體較破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育；洞身里程DK95+483～DK99+012段視電阻率值較高，ρ=2000～10000Ω·m，推斷該段巖體較完整；洞身里程DK99+012～DK99+391段視電阻率較低，ρ=1000～2000Ω·m，推斷該段巖體較破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育；洞身里程DK99+391～DK99+692段視電阻率值較高，ρ=2000～10000Ω·m，推斷該段巖體較完整。

3.3 圍巖等級劃分

隧道圍巖分級在隧道的選線設(shè)計(jì)和施工開挖中都起著基礎(chǔ)作用，它是隧道及其他地下工程技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，合理的對圍巖進(jìn)行分級可以為隧道的順利施工提供可靠的安全保障。雖然物探勘察存在多解性的問題，而且準(zhǔn)確率也有待提高，但作為一種前期的輔助手段，在圍巖等級的確定中仍然扮演著重要角色，也是音頻大地電磁測深的目的之一[19-20]。根據(jù)隧道洞身視電阻率特征，對隧道圍巖共分為3級(表2)。

表2 圍巖分級

4 結(jié)論

(1)利用音頻大地電磁法基本查明了隧道沿線地層分布情況及斷層等一些不良地質(zhì)體特征。洞身里程DK93+673～DK94+485段為鋪嶺組玄武質(zhì)安山質(zhì)凝灰?guī)r，洞身里程DK94+485～DK99+692段為鄧家組石英砂巖，其中DK94+385～DK94+485段有斷層發(fā)育，傾向NNE，傾角較大，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，與物探推斷成果基本吻合。在斷裂構(gòu)造發(fā)育地段施工時(shí)，應(yīng)做好隧道洞身支護(hù)的加固工作，預(yù)防一系列地質(zhì)災(zāi)害(如塌方、涌水)的發(fā)生。

(2)依據(jù)音頻大地電磁測深資料，對巖體的完整性進(jìn)行了評價(jià)，大部分地段巖體比較完整，局部較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。將隧道圍巖劃分為3級，為后續(xù)的隧道施工提供了良好的參考依據(jù)。

(3)隧道沿線山高溝深，地形艱險(xiǎn)，是一條地質(zhì)、地貌特征非常復(fù)雜的深埋長大隧道。正是借助了音頻大地電磁法探測深度大、裝備輕便，通過性好的特點(diǎn)，該隧道的物探勘察工作才得以又快又好地圓滿完成。物探工作野外數(shù)據(jù)采集精度較高，數(shù)據(jù)處理方法得當(dāng)，推斷成果與鉆探結(jié)果吻合較好，為今后類似工作起到了一定的借鑒作用和參考價(jià)值。