音頻大地電磁法在西渝高鐵華鎣山隧道勘察的適用性及應(yīng)用

郭靖 王安平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-4659

摘? 要：本文對(duì)音頻大地電磁法的基本原理、特點(diǎn)和基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究分析，結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)和研究成果，總結(jié)了該方法在華鎣山隧道勘察中的適用性，對(duì)隧道勘察物探方法的選擇是有所幫助的。根據(jù)其適用性，對(duì)鐵路隧道的不良地質(zhì)體勘察有著良好的探測(cè)效果，對(duì)隧道設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義，以供參考。

關(guān)鍵詞：音頻大地電磁法? 原理? 特點(diǎn)? 適用性

中圖分類(lèi)號(hào)：P642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（a）-0026-04

Application of Audio Magnetotelluric Method in Huayingshan Tunnel Survey of Xiyu High Speed Railway

GUO Jing? WANG Anping

（Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Engineering Institute Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan province， 610072 China）

Abstract： This paper studies and analyzes the basic principle， characteristics and basic theory of audio frequency magnetotelluric method， Combined with the previous work experience and research results， the applicability of this method in Huayingshan tunnel survey is summarized， which is helpful for the selection of geophysical methods in tunnel survey. According to its applicability， it has a good detection effect on the investigation of unfavorable geological body of railway tunnel， and has a very important guiding significance for tunnel design， for reference.

Key Words： Audio frequency magnetotelluric method; Principle; Characteristics; Applicability

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口流動(dòng)的加快以及交通運(yùn)輸能力的矛盾日益突出，我國(guó)對(duì)鐵路工程建設(shè)日益增強(qiáng)，但在穿越高山和山脊的隧道建設(shè)初期，地質(zhì)勘察變得越來(lái)越困難，傳統(tǒng)的地質(zhì)方法在隧道勘察中有很大的挑戰(zhàn)性，地球物理勘察作為隧道工程地質(zhì)勘察的重要方法之一，具有重要的工程價(jià)值和社會(huì)意義。地球物理勘察作為一種間接的勘察方法，具有分辨力較高、探測(cè)精度較高、能夠獲取多條信息的優(yōu)點(diǎn)，因此在隧道勘察中得到了廣泛的應(yīng)用。而地球物理勘察有著很多種方法，每種地球物理勘察方法都有其適應(yīng)性和局限性，為了提高勘察的準(zhǔn)確性，有必要結(jié)合勘察任務(wù)的地球物理特征，并根據(jù)各種地球物理方法的適用性進(jìn)行選擇，以便最大程度地提高勘察精度。而音頻大地電磁法在隧道工程中是一種較好的勘察方法[1-6]，本文就音頻大地電磁法對(duì)華鎣山隧道勘察的應(yīng)用談一下體會(huì)。

1? 原理

該方法是基于大地電磁測(cè)深法原理，是在20世紀(jì)50年代初期提出的一種較新的地球物理探測(cè)方法。它是通過(guò)對(duì)地面電磁場(chǎng)的觀測(cè)，來(lái)研究地下巖礦石電阻率的分布規(guī)律的一種物探方法。大地電磁理論的關(guān)鍵是研究地面電磁場(chǎng)與地下巖礦石的電阻率存在的關(guān)系。根據(jù)趨膚深度探測(cè)理論，可導(dǎo)出探測(cè)深度公式為：

（1）

式（1）中，D為探測(cè)深度，單位是m;ρ為電阻率，單位是Ω·m;T為周期，單位是s。

音頻大地電磁法原理如圖1所示。

2? 特點(diǎn)

該方法主要具有以下特點(diǎn)。（1）該方法引入阻抗張量的概念，克服了地下介質(zhì)各向異性的影響。（2）觀測(cè)頻帶寬，其最小探測(cè)深度幾米，最大探測(cè)深度達(dá)2000m，適合不同程度的工程勘察。（3）由于場(chǎng)源較遠(yuǎn)，觀測(cè)位于波區(qū)，場(chǎng)源相對(duì)較簡(jiǎn)單，方法較為成熟。（4）該方法對(duì)二維地質(zhì)體反映較為真實(shí)，能客觀地反映地電結(jié)構(gòu)。

3? 適用性

根據(jù)隧道軸線穿越的路線，目前地面物探工作面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點(diǎn)：一是隧道地面地形切割大，地面施工面臨著很大的挑戰(zhàn);二是隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，會(huì)穿越地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜的地區(qū)，解釋難度大;三是傳統(tǒng)意義上的可控源電磁法是只能在遠(yuǎn)區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)區(qū)域小;四是信號(hào)強(qiáng)度受場(chǎng)源接地條件影響大;而新型電磁勘探方法例廣域電磁法，雖具有橫向分辨能力較強(qiáng)，勘探深度大、資料處理與解釋技術(shù)相對(duì)成熟等特點(diǎn)，但設(shè)備相對(duì)笨重，信號(hào)強(qiáng)度亦受場(chǎng)源接地條件影響較大。綜合上述各方法技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度，結(jié)合隧道實(shí)際的地形地質(zhì)條件，認(rèn)為可控源電磁法與廣域電磁法雖然理論上可行，但在這種復(fù)雜地形條件下，施工會(huì)變得非常困難，不具有施工可行性。音頻大地電磁法具有快速、經(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)點(diǎn)，具有施工的可行性，可以比較快速地完成2000m以淺埋深隧道的勘察工作，可應(yīng)用于鐵路隧道斷層破碎帶探測(cè)、煤礦采空區(qū)探測(cè)、巖溶探測(cè)等方面。

4? 應(yīng)用實(shí)例

華鎣山隧道位于川東弧形褶皺帶的華鎣山背斜北段西翼，隧址區(qū)內(nèi)地形坡度一般在23°～30°，局部為47°～51°，坡向主要向南東、北西，與地層傾向斜交僅局部大體一致，構(gòu)成了斜交或順向斜坡，整體屬中高山地形。地貌受華鎣山背斜影響，山脈走向與背斜軸線方向基本一致，呈近南向，山脊一般由須家河組第四段砂巖組成，雷口坡組白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r和須家河組砂巖經(jīng)長(zhǎng)期溶蝕、風(fēng)化剝蝕后形成單面山脊，組成侵蝕切割地貌。

隧址區(qū)物性工作進(jìn)行了有針對(duì)性的巖樣采集及測(cè)試工作，巖性主要以砂巖、泥巖、白云巖為主。通過(guò)測(cè)試，隧址區(qū)內(nèi)砂巖電阻率值為280～810Ω m，常見(jiàn)值為320Ω m，泥巖電阻率值為88～339Ω m，常見(jiàn)值為150Ω m，白云巖電阻率值為1208～3524Ω m，常見(jiàn)值為1600Ω m。該隧道目的任務(wù)為探測(cè)煤礦采空區(qū)，為隧道設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。結(jié)合勘察目的和現(xiàn)場(chǎng)工作條件，采用音頻大地電磁法進(jìn)行勘察。隧址區(qū)主采煤層為須家河五段至七段，須家河組地層各段電性變化較?。ǚ囱萜拭娴戎稻€間距為5Ω m），通過(guò)視電阻率等值線變化異常并結(jié)合煤層位置圈定出了采空區(qū)異常。根據(jù)反演成果，結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)分析解釋如下。

4.1 音頻大地電磁法剖面解釋

（1）L7測(cè)線大致垂直于地層走向布設(shè)，圖2為L(zhǎng)7線反演成果圖。整體規(guī)律：成果顯示，淺部主要為泥巖的低電阻率特征;中部主要為砂巖的中高電阻率特征，深部主要為灰?guī)r的高電阻率特征。局部分析：L7線反演剖面下伏須家河組五段至七段煤層位置在剖面中出現(xiàn)視電阻率等值線較為凌亂的現(xiàn)象，圈定出2處異常區(qū)域，異常編號(hào)為A1、A2，推測(cè)為校辦煤礦、大隊(duì)聯(lián)辦煤礦、監(jiān)獄煤礦等老窯采掘范圍較大，煤礦采空后對(duì)水進(jìn)行疏干形成的采空影響區(qū)域。

（2）L8測(cè)線大致垂直于地層走向布設(shè)，圖3為L(zhǎng)8線反演成果圖。整體規(guī)律：成果顯示，淺部主要為泥巖的低電阻率特征;中部主要為砂巖的中高電阻率特征，深部主要為灰?guī)r的高電阻率特征。局部分析：L8線反演剖面下伏須家河組五段至七段煤層位置在剖面中出現(xiàn)視電阻率等值線較為凌亂的現(xiàn)象，圈定出2處異常區(qū)域，異常編號(hào)為A3、A4，推測(cè)為城西煤礦采空區(qū)水未完全疏干形成的采空影響區(qū)域。

（3）L9測(cè)線大致平行于地層走向布設(shè)，圖4為L(zhǎng)9線反演成果圖。整體規(guī)律：成果顯示，淺部主要為泥巖的低電阻率特征;中部主要為砂巖的中高電阻率特征，深部主要為灰?guī)r的高電阻率特征。局部分析：L9線反演剖面下伏須家河組五段至七段煤層位置在剖面中出現(xiàn)視電阻率等值線較為凌亂的現(xiàn)象，圈定出2處異常區(qū)域，異常編號(hào)為A5、A6，推測(cè)為城西煤礦及老窯采空區(qū)形成的采空影響區(qū)域。

4.2 音頻大地電磁法平面解釋

將剖面上圈定的異常投影到平面圖上，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查成果，并結(jié)合收集到的煤礦資料，可知圈定的異常與華鎣山隧道具有如圖5所示的平面位置分布關(guān)系。在異常分布圖上，自西向東、由南至北，依次將異常編號(hào)為A1、A2、A3、A4、A5及A6，共圈定出6處異常，可得出以下推斷。

（1）L7線圈定的A1、A2異常及L9線圈定的A6異常位于隧道北側(cè)，最近采空區(qū)異常影響區(qū)域（A6異常）邊界距離隧道平距160m，方位341°方向，且隧道洞身與A6異常底界高差為155m。因此，北側(cè)圈定A1、A2異常及A6異常未向隧道洞身延伸。

（2）隧道線路穿過(guò)L8測(cè)線圈定的A3采空區(qū)異常影響區(qū)域，穿過(guò)L9測(cè)線圈定A5采空區(qū)異常影響區(qū)域下方約30m處。

（3）6處異常空間位置與實(shí)際地質(zhì)吻合性較好，結(jié)合現(xiàn)有物探成果及煤礦資料綜合分析，推測(cè)隧道存在煤礦采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在該地段提請(qǐng)隧道設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

5? 結(jié)語(yǔ)

（1）音頻大地電磁法成果顯示華鎣山隧道存在煤礦采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，基本控制了煤礦采空區(qū)的空間展布位置，該方法適用于鐵路隧道不良地質(zhì)體的勘察，應(yīng)用效果較好。

（2）音頻大地電磁法能夠較為真實(shí)地反映了地層結(jié)構(gòu)，為隧道選線及布設(shè)鉆孔提供了科學(xué)的物探資料。

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