高密度电法及音频大地电磁法在公路隧道勘察中的适用性分析及应用

2018-03-26刘阳飞段明杰

西部探矿工程 2018年4期

罗术，彭勇，刘阳飞，段明杰

（云南省交通规划设计研究院，云南昆明650041）

1 概述

在国民经济持续平稳增长的今天，交通运输工程的发展起到了极大推动作用。我国国土中，山地和高原的面积约占陆地总面积的60%，隧道建设在交通工程中是避免不了的，随着隧道施工技术的不断发展，深埋、超特长隧道的建设越来越常见，建设速度也在不断加快，且面临的地质条件越加复杂[1]。这就要求我们在隧道开挖之前尽量做好勘察设计工作，为隧道施工提供充足、可靠的参数指导和技术保障。

地球物理勘探作为一种间接的勘探方法，它具有勘探成本低、工作效率高、分辨率较高、多信息等优点，因而在隧道工程勘察中应用极其普遍[2]。众所周知，物探具有多解性，每一种物探方法有其适应性和局限性，为了提高勘探的准确性，首先应结合勘探任务的地球物理特征，根据各种物探方法的适用性来选择使用，必要时还应有针对性地选取几种物探方法组合使用，互相验证，互为补充，最大限度地消除多解性，提高勘探精度[3-4]。

2 隧道工程中几种常用的地面物探方法

隧道工程技术的不断发展，促使工程物探技术不断革新，其在隧道工程勘察中的应用也在不断的成熟与完善。基于隧道工程地质勘察的主要目的和建设环境，物探技术的运用主要集中于电法勘探和地震勘探，然而地震勘探由于目前人工震源的限制，运用的不够广泛，以电法勘探为主，具有代表性的方法包括高密度电阻率法和大地电磁法。

2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法基于勘探目标体与地下介质间存在电性差异为前提，测量前在地表布设若干等间距（等斜距）电极，布设的电极既可作供电使用，也可作测量使用。测量时经由主机选择供电电极和测量电极的组合方式（即装置排列方式），在程控式多路电极转换器的控制作用下，通过供电电极向地下供入直流电，使之在地下形成稳定的直流电场，同时利用测量电极观测地下电场的分布特征及变化规律，包括稳定电流场I和两点间的电位差ΔU，就能得到地下相应点的视电阻率ρs，其计算公式如式（1）所示：

式中：K——测量系统的装置系数。

采集完成后，再利用专门的数据处理软件对所测得的电场信息经过进行处理，得到勘探线位下方一定深度范围内比较直观的地电剖面信息，结合电法勘探原理及相关地质知识进行分析、解译。可判断勘探剖面范围的地质构造、地层岩性特征、不良地质体特性以及隐伏矿产等[5]，是解决工程地质及浅部矿产问题非常普遍而实用的地球物理勘探方法。

2.2 大地电磁法

大地电磁测深的基本原理基于电磁波的趋肤效应，即是电磁波在地下介质传播时，不同频率的波对应不同趋肤深度。电磁波在介质中传播能量会随着传播距离的增大而衰减，公认的，把电磁波在地下介质中传播时能量（振幅）衰减到原波能量1/e倍时的传播深度定义为趋肤深度δ(单位:m)：

式中：ρ——地下介质的电阻率,Ω·m；

f——电磁场谐变的频率,Hz。

可以看出，当地下介质的电阻率值趋于稳定时，勘探的趋肤深度与电磁波的频率呈负相关，电磁波的高频成分主要反映了浅部介质的地电信息，低频成分主要反映浅部至深部介质的综合地电信息。基于此理论，在勘探时采用专门的仪器设备，根据勘探目标体的埋置深度，采集一定频率范围内[根据式（2）可大致推算出满足勘探要求的最低频率值]的电磁场时间序列，然后利用相关的电磁信息数据处理方法和软件进行处理，能够获得一定深度范围内的地下介质电阻率信息，参照电磁勘探正演模拟所建立的各种地质体的电磁相应的特性，结合相应的地质知识，以及相关的勘探工作经验，可以对勘探剖面范围内的地质信息做出判断和预测[6]。

3 隧道工程地面物探方法的选择原则

物探作为一种间接的勘探方法，它在勘探成本、工作效率、多信息等方面具有其他勘探手段不可比拟的优势，但每种物探方法均有其特有的优点和适用性。首先应根据勘探工区的现场环境、地质及地球物理条件、勘探目的等因素，相应选择合适的勘探方法，才能取得更好的勘探效果。

3.1 高密度电法的适用性

高密度电法勘探前提是岩矿石的电阻率差异，所以在勘探开展前要进行地质调查并进行方法试验，充分了解工区的岩矿石电阻率差异。对于泥岩、粉砂岩地区，通常以低阻为主，高密度电法难以区分破碎带、富水带等。而在高阻区找低阻异常通常效果较明显，比如灰岩中的岩溶发育区，玄武岩中的节理裂隙发育区或富水区则适用性比较好。地表接地低阻大小对高密度电法也有比较大的影响，有些地区地表碎石土为主，接地电阻通过各种方法都比较难改善，这种地方使用高密度电法容易高阻屏蔽，难以取得理想效果。

高密度电法作为常规电法勘探的主要方法之一，因其需要通过人工建立地下稳定直流电场，考虑到人工建立的电场的场强以及高阻地质体对电场强烈的阻隔作用，人工电场一般的穿透深度有限，因而高密度电阻率法的勘探深度较浅，根据众多物探工作者的工作经验及相关理论计算，隧道埋深一般不宜大于200m，这也是选择应用高密度电法进行勘探应满足的基本条件。此外，隧道长度不宜过长，一方面隧道过长需要采用滚动测量影响施工效率；另一方面在进行平距和斜距转换的时候，隧道过长容易累积较大的误差，斜距转换为平距后电极位置跟实际里程容易出现较大偏差。一般2km以内地形起伏不大的隧道使用高密度电法都具有比较好勘探效率及效果。

高密度电法布设的电极一般是按照等斜距布置，而计算时均按照等平距执行，因而在地形起伏较大的地段，斜距与平距差距较大，会造成一定的误差，影响勘探效果。虽然很多处理软件均采用了地形修正处理，但地形起伏对理论半球形电场的畸变作用也是难以消除的。

综上所述，对于长度不超过2km、埋深不大于200m的隧道采用高密度电法勘探适用于埋深小于等于200m的地形起伏较小的地段的高分辨率地质勘察。

3.2 大地电磁法的适用性

20世纪50年代初，L.Cagnird首次提出了基于卡尼亚电阻率的电磁法勘探理论，经过一个半世纪的发展，大地电磁法勘探已经被人类广泛研究和应用。基于平面波的大地电磁法勘探具有勘探深度大，采集工作灵活、便捷，能够进行单点测量，且不受高阻体的屏蔽作用，对低阻体的反应较灵敏等优点，特别适合地表地形起伏较大的深埋长大隧道工程的地质勘探。但一方面由于大地电磁勘探的场源都需要依靠天然场，天然场源的信号一般较为微弱，且极化方向不定，加之随着经济的发展，人工电磁场及其多次谐变场越来越广而强，使得采用天然源大地电磁勘探极易受到非天然场源的噪声干扰，这也是大地电磁勘探的一个致命弱点。另一方面，大地电磁勘探采集的都是离散频点，不同频率对应不同深度的地层电阻率信息，频点越分散，得到的地层信息的分辨率越低，特别是低频部分由于频点分散对分辨率的影响更大，因而大地电磁的分辨率较高密度偏低，比较适合对区域性的地质体进行勘探，比如断层、破碎带、岩性分界线、岩溶发育区等。

综上所述，大地电磁勘探适合一切场源干扰小的深大长埋隧道地质勘察。

4 运用实例

经济的发展在很大程度上依赖于交通的发展，云南省地处青藏高原东南麓，地势北高南低，高差约6663m，区内山谷纵横，地形及地质条件极为复杂，交通工程的建设难度大大增加，要想在复杂多变的地质条件下建设高质量的交通工程，首先的任务是要弄清楚交通工程工区内的地质情况。

云南滇西某高速公路穿越新生界全新统（Qh）、上第三系（N2s），中生界白垩系下统（K1j1）、侏罗系上统（J3b）、侏罗系中统（J2h）、三叠系上统（T3m）等地层，其间还有喜山期正长斑岩、二长斑岩等侵入岩，地质条件极为复杂。为了详细查明工区隧道地质情况，物探勘察工作采用了高密度电法仪及大地电磁测深仪等多种物探设备，对全线所有隧道结合地形及地质条件、隧道埋深、勘察目的等进行了探测。

4.1 高密度电阻率法勘察实例

该线某隧道主要穿过的地层为侏罗系上统坝注路组（J3b）紫红色泥岩夹少量同色粉砂岩、砂岩及灰质砾岩。本次勘察的主要目的是查明第四系覆盖层厚度、基岩强弱风化界线，以及较软岩和较硬岩的分布区域。隧道总长约700m，最大埋深约110m，地表地形较为平缓。结合勘察目的和现场工作条件，采用了高密度电阻率法对隧道地质进行探测，沿隧道中线在地表布设了80个电极，电极距为10m。数据采集选择温纳装置，因为温纳装置对高低阻岩性分界面的探测有较好的适用性[7]，采集完成后采用相应的数据处理软件经过预处理、数据编辑、带地形反演、设置色标和显示参数等，成果如图1所示。

图1 高密度电法勘探成果图

根据反演电阻率sufer图，可以很清晰地界定第四节覆盖层及强风化层与弱风化基岩的界限，同时根据电阻率值的大小可以划分岩性。

4.2 大地电磁法勘察实例

该线某长隧道总长5300m，最大埋深570m，根据区域地质，隧道穿过的地层主要有：侏罗系中统花开左组（J2h1）：紫红色石英砂岩、泥岩夹少量细砾岩；侏罗系上统坝注路组（J3b）：紫红色粉砂质泥岩、泥岩夹粉砂岩、细砾岩；白垩系上统江底河组（K2h）：灰白色石英砂岩夹紫红色砂质、泥岩。地质条件复杂，地表植被茂密，地形起伏较大，本次勘察的主要目的是查明隧道洞身围岩的构造界线、岩性界线、水文地质界线及岩体的完整性等工程地质条件。结合勘察目的和现场工作条件，选择采用天然源高频大地电磁法沿隧道右幅中线进行勘测，数据采集仪器使用美国生产的EH-4大地电磁成像系统，点距为25m。采集完成后，通过仪器自带的处理软件，进行数据编辑、剔除异常点、反演、Surf⁃er成图等处理，得到如图2所示成果图（仅显示了隧道出口段）。

根据以上成果图，可以较为直观地看出隧道洞身处：侏罗系中统紫红色石英砂岩与侏罗系上统紫红色粉砂质泥岩、泥岩夹粉砂岩的分界线在K5+000附近；同时结合区域地质和现场地质调查，根据电阻率变化趋势，可以推断侏罗系上统紫红色粉砂质泥岩、泥岩夹粉砂岩与白垩系上统石英砂岩夹紫红色泥岩的分界在K6+000附近，同时该处发育有一断层。

后期在物探异常段进行钻孔勘探，通过钻探所揭示的地层岩性和岩体情况，与物探解译的岩体情况基本吻合，也验证了本次采用的物探方法在该线地质勘察中的有效性和适用性。