周 伟

（1.黑龙江省有色金属地质勘查707队，黑龙江绥化150000；2.吉林大学地球科学学院，吉林长春130000）

·隧道与建设工程·

CSAMT方法在隧道工程前期勘探中的运用与研究

周 伟*1，2

（1.黑龙江省有色金属地质勘查707队，黑龙江绥化150000；2.吉林大学地球科学学院，吉林长春130000）

CSAMT实际是一种频率测深方法，属于交流电法的一种。CSAMT法是根据电磁感应的趋肤效应，即高频电磁场穿透浅，低频电磁场穿透深的规律进行工作，通过观测人工（可控）场源在大地中激励的电磁场的频率特性来研究地电参数沿深度的变化。近年来此方法在工程勘探领域得到很好的利用和发展，为指导深部工程勘探提供很好的指向性。

CSAMT；地球物理；隧道

本次物探工作采用可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)，目的查明隧道通过地区的地质构造、地层结构、不良地质等，具体对断层及褶皱带解译出其产状、断层破碎及影响带宽度、对风化程度进行划分；分析不良地质（主要指岩溶和采空区）的分布规律、范围、规模及特征。

1 地形、地貌、工程地质及地球物理特征

1.1 地形、地貌及工程地质特征

隧道区域由于受地质构造变动与内外地质应力长期作用，造成地形东低西高，东端为汾河冲洪积倾斜平原，西部属吕梁山余脉太原西山。区域内地层有奥陶系中统上马家沟组、峰峰组，石炭系中统本溪组，石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组及第四系松散层。区域大地构造位于吕梁太行断块之内，东端为晋中新裂陷中的太原断陷，西部为五台山块陷中的古交倾斜地块；隧道区域内主要有璜厂正断层和王封正断层2个区域性断层。

1.2 地球物理特征

测区出露有新生界、二叠系、石炭系、奥陶系地层，根据物探资料统计分析，各地层岩性在电阻率方面存在一定差异，具备开展地球物理勘探的前提条件，主要地层岩性及物性参数见表1。

表1 袁家庄隧道地层岩性及物性参数表

2 外业工作布置

CSAMT测量采用赤道偶极装置进行测量，即使用水平电偶极源供电，在平行发射偶极AB中垂线两边张角各30°的梯形区域内沿测线方向逐点观测电场分量Ex的振幅和相位及与之正交的水平磁场分量Hy的振幅和相位，从而计算出卡尼亚视电阻率和阻抗相位，测量装置见图1。

3 数据处理

图1 CSAMT测量里外装备示意图

由于野外资料采集在较强干扰下进行，因此我们要求每个频点采集的数据块数足够多，最多重复53次，然后利用软件根据曲线的总体趋势将干扰大的原始数据进行挑选，然后组剖进行近场校正，静态校正、地形校正，进而进行一维、二维反演，反演结果达不到预期目的时又返回到静态校正一步，进行下一个循环，直到反演结果能用于地质解释为止。

3.1 静态校正

本次野外原始数据静态校正试验了3种校正方法，即中值滤波、空间滤波、EMAP滤波，根据静态校正效果，最终选取了空间滤波进行静态校正。

3.2 反演成图

经上述各项数据处理后，采用美国EMI公司的二维圆滑模型RM2d软件进行反演，最终绘制出反演电阻率断面图。资料分析时，我们分别绘出测线的一维反演断面图及二维反演电阻率断面图，并将反演结果换算成海拔深度，以确定地形对地下电性分布的影响程度。

4 综合解释成果

结合地质调绘结果和其它地质钻孔资料，对一维、二维反演电阻率断面图进行综合分析，按上述物探资料解释依据划分地层，推断断层位置、断层破碎带及影响宽度，圈定物探异常。依据二维反演电阻率断面图电性分布特性，把袁家庄隧道右线分5段进行分析解释，以下为隧道右线及左线各段的解释成果。

4.1 AYK2+425～AYK4+300段

二维反演电阻率断面图中自地表至洞身以下，电性呈现为高低高3层电性分布特征：标高在1250m以上反演电阻率值125～150Ω·m，推断为第四系及二叠系地层电性反映；标高1250～1150m反演电阻率值在100～125Ω·m之间，推测为石炭系上统太原组(C3t)砂岩、泥岩、煤系地层、石炭系中统本溪组(C2b)泥岩、砂岩、砂质泥岩及灰岩互层的电性反映。标高在1150～1000m之间地层反演电阻率值在300～500Ω·m，推测为奥陶系中统峰峰组(O2f)石灰岩夹有泥灰岩和白云质灰岩、泥灰岩、夹石膏角砾状泥灰岩的地层电性反映；标高在1000m至洞身位置以下，地层反演电阻率值大于750Ω·m，推测为奥陶系中统上马家沟组(O2s)以石灰岩、灰岩为主地层，该段泥灰岩厚度不大，围岩较稳定。

在洞身位置AYK3+300附近，一维、二反演电阻率等值线扭曲，推断该异常为断层的反映，定义为F4断层，断层倾向西，断层破碎带及影响宽度约100m。该断层在旁测线AZK3+012.5～AZK3+537.5二维反演电阻率断面图中也有类似异常反映（异常形态见图2），综合分析2条测线的异常，断层走向近南北向。

图2 F4断层二维反演电阻率异常形态

AYK2+740～AYK2+875段二维反演电阻率等值线下凹，等值线分布相对均匀，洞身位置电阻率750～1000Ω·m，推断该处为向斜构造核部，岩石破碎，定义为WL-2异常，设计施工时应注意（见图3）。

AYK2+490～AYK2+540、AYK3+500～AYK3+ 625段，分别在标高1150、1250m处，二维反演电阻率小于125Ω·m，呈明显的低阻团块异常，推测为煤田采空塌陷区的反映，分别定义为CKL-1、CKL-2异常。其距洞身大于100m，对隧道施工影响不大。

4.2 AYK4+300～AYK6+200段

二维反演电阻率断面图中大部分显示低、高2层电性层，表层反演电阻率值小于100Ω·m推测为第四系黄土层；电阻率分布在150～250Ω·m，推断为石炭系上统泥岩、砂岩、煤系地层、石炭系中统本溪组(C2b)地层砂岩、泥岩、灰岩互层的反映；电阻率分布在250～500Ω·m，推断为奥陶系中统峰峰组(O2f)地层电性反映，深部电阻率大于500Ω·m的地层，推断为奥陶系中统上马家沟组(O2s)地层即洞身围岩的电性反映。

图3 向斜构造二维反演电阻率异常形态

洞身位置AYK4+860处，一维、二维反演电阻率等值线密集扭曲变形，在旁测线上有类似的异常反映（见图4），推测该异常为断层的反映，定义为F5断层，断层倾向东，断层破碎带及影响宽度约50m。综合分析两条测线的异常形态，推断断层走向近南东。

图4 F5断层二维反演电阻率异常形态

AYK4+600～AYK5+500段洞身处反演电阻率值约750Ω·m，呈相对低阻异常反映，推测该区段岩石破碎，定义为WL-3异常，岩溶发育，受F5断层影响，地层存在地下水，施工时防止坍塌、突水。

在AYK5+850～AYK6+020段反演电阻率等值线有密集变陡现象，在隧道洞身附近等值线下凹，推测隧道洞身处岩石裂隙发育，定义为WL-4异常。

在AYK4+835～AYK4+920段，二维反演电阻率断面图中，标高1245m附近存在相对高阻异常，推测为煤田采空区，定义为CKH-1异常。

在AYK5+355～AYK5+520段，二维反演电阻率断面图中，在标高1230m附近有一鼻状高阻异常，推测为煤田采空区，定义为CKH-2异常。

在AYK5+665～AYK6+020段，二维反演电阻率断面图中，标高在1180m附近有一高阻异常，反演电阻率值大于1000Ω·m，推测为采空区，定义为CKH-3异常。

AYK4+320～AYK4+520段，二维反演电阻率断面图，在标高1180m附近，存在低阻团块状异常，推断为奥陶系灰岩内岩溶较发育区，定义为YR-1异常。

4.3 AYK6+200～AYK9+600段

二维反演电阻率断面图中，由地表向下电阻率呈由低到高的分布特性，表层反演电阻率值100～150Ω·m，推测为第四系黄土层的反映；黄土层下部电阻率分布在100～250Ω·m推断为石炭系上统太原组(C3t)砂岩、泥岩、煤系地层、石炭系中统本溪组(C2b)泥岩、砂岩、灰岩互层的反映；电阻率为200～500Ω·m，推断为奥陶系中统峰峰组(O2f)地层电性反映，深部至洞身深度大于700Ω·m的地层，推断为奥陶系中统上马家沟组(O2s)地层电性反映。

该段中AYK6+710、AYK7+375、AYK8+485、AYK9+295处二维反演电阻率断面图中等值线扭曲，一维反演电阻率断面图中等值线陡立，显示存在横向电性不均匀，推断该类异常为断层的反映，分别定义为F6、F7、F8、F9断层。F6断层，倾向东，倾角较陡，断层破碎带及影响宽度约75m；F7断层，倾向东，倾角较陡，断层破碎带及影响宽度约100m，该断层与地质调查赛庄正断层相对应；F8断层，倾向西，断层破碎带及影响宽度约200m；该断层与地质调查王封正断层相对应；F9断层，倾向东，倾角较陡，断层破碎带及影响宽度约50m。断层F7、F8在左线的二维反演电阻率断面图中有类似的异常反映，图5为F7、F8在2条测线二维反演电阻率断面图中的异常形态。

在AYK6+970～AYK7+470段二维反演电阻断面图显示地层呈现向斜构造形态，洞身位于反演电阻率值小于750Ω·m的区域，异常形态见图6，推断围岩为奥陶系中统上马家沟组(O2s)地层，岩石破碎，岩溶发育，定义为WL-5异常，受F7断层影响，含有地下水。

AYK6+355～AYK6+560段标高在1260m附近，二维反演电阻断面图存在低阻团块异常，反演电阻率小于75Ω·m，推测为煤田采空区的反映，定义为CKL-3异常。

图5 F7、F8断层二维反演电阻率异常形态

图6 F7断层处向斜构造二维反演电阻率异常形态

AYK7+050～AYK7+160段标高在1240m处，二维反演电阻断面图存在低阻团块异常，反演电阻率小于100Ω·m，推测为煤田采空区的反映，定义为CKL-4异常。

AYK7+220～AYK7+370段标高在1230m处，二维反演电阻率断面图存在鼻状高阻异常，推测为煤田采空区的反映，定义为CKH-4异常。

AYK7+600～AYK7+735段标高在1300m附近，二维反演电阻断面图存在低阻团块异常，反演电阻率小于100Ω·m，推测为煤田采空区的反映，定义为CKL-5异常。

煤田采空区距洞身在100m以上，对隧道洞身影响不大。

5 结论建议

5.1 结论

选择合理物探工作方法，分析得本区的初步地质概况：

（1）整个右线断面自上而下大体地层为第四系地层、二叠系地层及石炭系地层、奥陶系地层，隧道洞身大部分位于奥陶系地层。

（2）物探圈定9条断层，10个低阻煤田采空区、7个高阻煤田采空区；低阻异常6处、岩溶发育区3处。

（3）隧道施工中可能遇到的地质灾害是断层涌水、涌泥、岩溶水以及软顶层塌方。

5.2 建议

建议对物探低阻异常钻探验证，验证引起低阻异常的原因。对钻孔开展电测井工作，与物探统计岩层物性参数对比，以便准确划分岩层的电阻率分布，提高物探地层解译精度。全线钻探工作结束后，及时向物探提交钻孔资料进行复解，以提高资料解释精度。可参考洞身附近电阻率的相对高低对隧道围岩级别定性分析，但围岩级别的划分应根据钻孔声波测井数据确定。建议在隧道施工期间开展超前预报工作，以便对地质灾害提前采取措施。

[1]张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[3]刘宝兴.路基工程新技术实用全书[M].北京：海潮出版社，2001.

[4]牛之琏.时间域电磁法原理[M].中南工业大学出版社，1992.

[5]李金铭.电法勘探方法发展概况[J].物探与化探，1996（4）.

Application and Research of CSAMT Method in the Early Exploration of Tunnel Project

ZHOU Wei1，2
(1.707 Teams of Nonferrous Metals Geological Prospecting Bureau of Heilongjiang Province，Suihua Heilongjiang 152000，China；2.College of Earth Science，Jilin University，Changchun Jilin 130061，China)

CSAMT is actually a kind of frequency sounding method which belong to one of AC electrical methods.CSAMT methods works according to the skin effect of electromagnetic induction，the regularity that electromagnetic induction has stronger ability for penetrating in low frequency electromagnetic field (LFEMF)than in high frequency electromagnetic field(HFEMF). CSAMT research the change of geo-electric parameters along the depth through observing frequency characteristic of electromagnetic field of artificial(controllable)field source excited in ground.In recent years，this method has been well used and developed in the field of engineering exploration，which provides a good direction for guiding the exploration of deep engineering projects.

CSAMT；geophysics；tunnel

P631.325

A

1004-5716(2016)12-0171-05

2016-04-22

2016-04-27

周伟（1984-），男（汉族），湖北咸丰人，工程师，现从事地球物探勘探找矿研究及有色金属矿产勘查工作。