CSAMT在北京山区隧道勘察中的应用

2020-06-21王铁领赵胜岭张少雷

工程技术研究 2020年8期

王铁领，赵胜岭，张少雷

（中地华北（北京）工程技术研究院有限公司，北京 100085）

随着中国城镇化的发展，区域之间的交流变得越来越频繁，地区之间的交通拥堵已成为摆在政府面前一个亟待解决的问题。中国山区广袤，目前各地区在地质条件复杂的山区已经修建了多条铁路、公路等工程。深、长隧道的地质勘探工作一直是地质勘察的难点、重点，也是摆在地球物理学者面前的一个重要问题。早期的物探方法勘探深度浅，受地形影响较大，无法满足深、长隧道勘探的要求。CSAMT兴起于20世纪80年代，经过多年发展，理论和仪器性能不断提高。CSAMT具有探测深度大、工作效率高、分辨能力强、能避免高阻屏蔽、对地阻体敏感、设备相对轻便等特点。目前，利用CSAMT可有效判定地下构造形态、岩层界线、地下水赋存状况等，为工程设计和隧道施工提供参数。笔者在北京地区隧道勘察中采用CSAMT开展了深部隧道勘探，取得了较好的效果。

1 CSAMT原理与工作方法

1.1 CSAMT原理

CSAMT是在MT（大地电磁）和AMT（音频大地电磁）的基础上发展而来的，并于20世纪70年代得到发展应用。其应用领域涵盖了地质勘察、资源勘探等领域，并得到了越来越多的重视。CSAMT利用垂直地面入射的平面电磁波，避免了天然场源的随机性、信号弱等缺点。该方法以有限长地电偶极子为场源，在场源中心一定距离处同时观测电、磁场参数。它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（远区），经过换算可得到电场E、磁场H、频率f与卡尼亚电阻率ps的卡尼亚公式：

式中：Ex为沿x方向的电场；Hy为沿y方向的磁场；f为频率；ps为卡尼亚电阻率。

根据测量分量数量和场源数量，CSAMT有张量、矢量和标量三种形式。目前的测试中多采用标量中的赤道偶极装置，过程中测量与场源平行的分量Ex和与场源正交的分量Hy。

根据趋肤效应理论，其趋肤深度δ公式为：

测试中具体探测深度D与理论探测深度d不同，多数情况下将具体探测深度认定为电磁波能量衰减到50%时的深度，即

由式（3）可知，随着电阻率的减小或频率增大，探测深度变浅；反之，随着电阻率的增大或频率减小，探测深度加深。在实际工作中通过调整发射频率改变探测深度。据统计，CSAMT在ps较低的沉积盆地或者第四纪覆盖层较厚的地区测试深度仅为500m，在电阻率较高的岩层地区测深可达2000m。

1.2 CSAMT的现场工作方法

CSAMT的现场工作示意图如图1所示，该图选用直角坐标系，x轴平行AB，z轴垂直向下。探测中，通过A、B电极向下供电，发射电流频率可变，在距离发射电极很远的地方进行接收测量。

图1 CSAMT现场工作示意图

2 CSAMT测量参数的选择及提高数据质量的方法

2.1 发射测量频率f

通常，根据探测要求和场地电阻率初步确定发射频率。频点的选择要满足目标探测深度范围内都有足够的数据，一般根据探测深度选择20～40个频点。现有的仪器设备频带宽度为0.125～10000Hz，对应的勘探深度为几十米至几千米，其中多以“2”倍率从低到高增加频点，重点层位加密频点测量。

2.2 收发距R

由发射频率f对应的趋肤深度和合适的测试效率来确定合理的收发距R。其主要限制因素有三个：（1）最小收发距；（2）最大收发距；（3）信号强度与偏离场源中垂线两边方位角30°的依赖关系。收发距太近，测深曲线尾支会出现45°陡峭上升的近场效应；收发距R过大，远区数据越多，测试效率越高，同时会导致有用信号在传播过程中的衰减。信号的强度直接影响信号的质量，尤其是低频信号衰减更大。根据多次测试经验，一般认为收发距大于趋肤深度3～5倍时，近似认定为远区场。在现场测试中，一般收发距R为4～10km（若条件允许的话，可适当再增大）。

2.3 供电极距AB

通常AB≤（1/3～1/5）R，AB越大，系统曲线的低频特征越好，适宜探测中深部地层，AB越小，系统曲线的高频特征越好，适宜探测中浅部地层。根据工程经验，一般AB可取1～3km。为了提高采集数据的质量，发射端供电时尽量采用低电压大电流的形式，这样有助于提高发射系统的效能，I越大，Ex、Hy越大，越容易被接收机观测到，有助于压制干扰。同时还要降低发射端AB的接地电阻，在发射端浇盐水。

2.4 接收偶极矩MN

接收偶极矩MN约等于水平分辨异常的能力，MN越大，分辨率越低，但能提高观测电位差值，更加易于观测，工作效率高；MN越小，可提高分辨率，但是降低了数据质量。根据探测目的和目标地的深度，接收偶极矩一般可为20～50m。为了提高接收采集数据的质量，接收偶极矩MN尽量采用不极化电极，减少干扰。同时保证接收偶极矩的接地电阻越小越好，在电极处浇适当的盐水，保证接地电阻＜5kΩ。

3 CSAMT数据处理流程及数据校正

3.1 数据处理流程

CSAMT的数据处理流程如图2所示。

图2 CSAMT数据处理流程图

3.2 静态校正

静态效应是指由于地表局部存在的尺度规模远小于最小趋肤深度的三维不均匀电性体，造成电荷积累而引起的电阻率和频率无关的电阻率变化。静态效应是电法勘探中（CSAMT、AMT、MT）共有的一种现象，只影响电场数据，不影响磁场数据，表现为在电阻率双对数曲线中曲线保持形态不变的上下平移，而相位保持不变。静态效应对低阻局部异常影响明显，表现为曲线向下平移；对高阻局部异常体影响较小，表现为使曲线轻微上移。在具体的CASMT成果图上表现为横向较小的范围内直上直下的等值线带状异常。目前提出的静态校正方法很多，主要有数值分析法、曲线平移法、空间滤波法、不变量响应分析法等，最常用的为基于人工识别的空间滤波法（五点滤波、七点滤波、中值滤波）。

4 工程应用实例

4.1 工程地质概括

拟建北京山区隧道勘察工程位于北京西北太行山脉的延伸地带，地形起伏较大，穿过的场区地貌为近东西走向的构造剥蚀丘陵、低山山脉及沟谷地貌。山体坡度一般在40～50°，局部为陡崖，山坡植被较为发育，海拔高程为410～690m。沿线分布的地层以中元古界沉积岩与中生界火山岩、火山碎屑岩及侵入岩为主，在山间冲沟与河谷地带分布第四纪洪冲积层，在山麓斜坡带分布第四纪残坡积层。区内含水层主要为第四系松散岩类含水岩层、碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩层和火山碎屑岩、岩浆岩裂隙含水层，含水量受季节和气候的影响显著。

4.2 岩矿石物性统计

对该场区的主要常见岩性的物性参数进行测试统计，如表1所示。由统计结果可知，该区域各类岩石电阻率变化范围较大，平均电阻率为138.14～1334.84Ω·m，且具有明显的各向异性。白云岩电阻率变化范围最大，同时出露的灰质白云岩的电阻率值较低，平均电阻率仅为179.81Ω·m，该灰质白云岩在该区域普遍分布，且具有一定的连续性和分层性，对该区域物探异常的识别具有一定的影响，综合分析时应注意识别。

表1 典型地层岩性的物性参数

4.3 测试参数取值及检查校正

在本次CSAMT测试中，使用加拿大凤凰地球物理有限公司生产的V8网络化多功能电法仪，采用赤道偶极装置标量观测方式。为满足观测条件，沿测线方向布设电极排列，工作频率选取为9600～0.125Hz中的25个频点；收发距R约6km；发射AB极距2km；发射电流2～8A；磁探头方向与AB供电极垂直；接收偶极矩MN为20m。在施工过程中，及时布置检查点总数大于测点总数的3%；检查点两次观测的相应视电阻率曲线形态一致，对应频点的数值接近，相对均方误差小于5%，均满足规范要求。

4.4 探测成果

该工程实施测线较长，总计完成CSAMT测线剖面6km，本文只选取2个典型剖面进行综合物探分析。剖面一CSAMT反演成果图如图3所示。

图3 剖面一CSAMT反演成果图

该剖面测试深度范围内电阻率值变化较大，大部分岩体电阻率为200～5000Ω·m，局部电阻率为5000Ω·m以上。隧道洞身附近，高中低阻相间分布，说明构造比较复杂。

其中桩号YK25+330～YK25+380段存在一相对低阻异常变化带，电阻率＜100Ω·m，地表存在沟谷发育，推断为断裂破碎带，记为F1。该断裂带向下延伸穿过隧道洞身，该处岩体软弱、破碎，局部含水量较高，影响隧道施工。经验证，附近1#钻孔岩芯整体较为破碎，局部存在泥质充填物。桩号ZK25+640～ZK25+660段分布有相对低阻异常变化带，电阻率＜100Ω·m，由地表延伸至隧道下方，推断为断裂破碎带，记为F2。该断裂带向下延伸穿过隧道洞身，受其影响，该处工程地质条件较差，岩体较破碎，对隧道施工影响较大。

剖面二CSAMT反演电阻率断面图如图4所示。

图4 剖面二CSAMT反演成果图

由图2可以看出，测试深度范围内电阻率变化较大，大部分岩体电阻率为20～3000Ω·m。该段浅表电阻率横向连续性较差，推断为浅部覆盖层及白云岩风化不均匀的反应。隧道洞身附近及以下，表现为一层较为连续的低阻异常带（电阻率值＜130Ω·m，起止桩号为ZK25+950～ZK26+230）。经打钻验证，该处2#钻孔岩芯整体完整性较高，洞身隧道岩芯为微风化灰质白云岩。由前期该区物性测试和岩芯电阻率测试可知，该区域灰质白云岩平均电阻率在179Ω·m以下，故推断该低阻异常为受该层赋存的灰质白云岩所致。可见，CSAMT对低阻体异常的反应比较敏感。