陈爽爽 侯钦礼 张建清 张智 李鹏

摘要：

因强震动、电磁干扰环境影响，城市输水隧洞勘察中诸多物探方法应用受限，应根据探测目标体大小、埋深、施工场地、干扰等因素综合确定勘探方法。以深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞物探勘察为例，介绍了微动探测、可控源音频大地电磁法、高密度电阻率法的方法原理及觀测系统，分析了各方法在城市环境下的应用效果。结果表明：城市输水隧洞勘察在强震动、电磁干扰区域宜采用微动探测等被动源弹性波法，无电磁干扰或弱电磁干扰区域可采用电磁法、直流电法，且其探测成果应结合现场环境综合分析，以识别其中的“假异常”。研究成果可为类似工程地质勘查提供一定参考。

关 键 词：

输水隧洞； 综合物探； 微动探测； 可控源音频大地电磁法； 高密度电阻率法； 罗田水库； 铁岗水库

中图法分类号： TV221.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.037

0 引 言

中国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，全国范围内普遍存在缺水情况且具有不断加剧的趋势［1］。为优化水资源配置，解决水资源空间分布与人口、经济、社会发展之间的矛盾，中国自20世纪80年代开始兴建引调水工程［2］。近年来，为实现大型引调水工程水资源在城市内的再分配，一些大、中型城市开始修建市内输水隧洞工程。

城市输水隧洞勘察主要采用钻探和物探两类方法。其中物探方法具有无损、高效、经济等特点，能够有效弥补钻探方法“一孔之见”的不足，克服城市施工场地受限、地下管线极易被破坏的问题，快速实现输水隧洞沿线隐伏地质构造探测［3］。

物探方法为利用探测目标体与周围介质在导电性、介电性、波阻抗等方面存在差异以实现勘探的一类方法，可分为弹性波法、电磁法、直流电法等。目前，勘察常用物探方法主要有纵波反射法、横波反射法、主动源面波法、微动探测、高密度电阻率法、瞬变电磁法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法等。

城市输水隧洞物探勘察方法选择应充分考虑城市强震动、电磁干扰等特点，利用环境中的有效信号识别“假异常”。

处于强震动、电磁干扰环境，诸多物探方法应用受限，其勘察方法选择应充分考虑探测目标体大小、埋深、场地、干扰等因素。

本文以深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为例，分析微动探测、可控源音频大地电磁法、高密度电阻率法等物探方法在城市环境下的应用效果。

1 工程概况

罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程（以下简称“罗-铁工程”）是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内配套项目之一。输水隧洞洞径约5.2 m，全长约21.68 km，其中南、北段属丘陵地貌，中间段约11 km位于主城区，属冲洪积地貌，输水干线采用深埋隧洞形式，平均埋深约70 m。

工程区第四系分布广泛，城区段表层多为人工填土，其下为冲洪积淤泥质土、黏土、砂、砂砾石等，丘陵段地表主要为残坡积砂质黏土、黏土等。基岩包括沉积岩、变质岩、侵入岩三大类，其中沉积岩以泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩等为主；变质岩以片岩、片麻岩等为主；侵入岩以花岗岩为主。此外，工程区地质构造发育，褶皱剧烈、接触关系复杂，隧洞穿越多条断裂带，断裂影响带宽数米至数十米不等，工程特性差，主要工程地质问题为断层破碎带、风化深槽等。

2 方法原理及观测系统

2.1 方法选择

工程区主要介质的电阻率、纵波速度、横波速度值如表1所列。

由表1可知，工程区内不同岩性或同一岩性不同风化程度岩体之间的电阻率、波速存在明显差异。当断层破碎、风化深槽等不良地质体发育时，与周围介质之间也会产生明显的电阻率、波速等物性差异。物性差异为采用弹性波法、电磁法、直流电法等查明覆盖层厚度、隐伏地质构造发育等情况提供了地球物理前提。

罗-铁工程为典性线性工程，输水干线两端位于城郊丘陵地带，中间段位于城区，丘陵区隧洞埋深大，城区电磁、震动等干扰因素众多，此外输水线路横穿厂房、高速公路、铁路、池塘等地表建筑物众多，施工场地受限。综合考虑地球物理条件、干扰因素、探测深度和场地条件等，本次物探勘察遵循城区采用微动探测，丘陵区采用可控源音频大地电磁法，进、出水口位置采用高密度电阻率法的基本原则。

2.2 微动探测

微动是地球表层时刻存在着的天然微弱振动，震源主要为地壳运动、风、海浪、火山活动、潮汐等自然现象以及行驶车辆、机器运转等人类活动，前者称为长波微动，一般频率小于1 Hz，后者称为常时微动，一般频率大于1 Hz。微动是由体波（P波和S波）与面波（Rayleigh和Love波）组成的复杂运动，面波的能量约占信号总能量的70%。微动探测是在地表通过特定的观测系统记录微动信号，并提取其中包含的频散信息，通过反演该信息获得地下介质横波的速度结构。

微动探测常用的观测系统有圆形（嵌套三角形）台阵、“十”字形台阵、“T”形台阵、“L”形台阵、线性台阵等。其中，线性台阵观测系统可采用几十个台站进

行滚动测量，一次实现多个勘探点数据采集，具有布置灵活、数据采集效率高等特点。此外，根据场地情况，线性台阵观测系统每个滚动排列可在垂直测线方向上布设几个台站，用于记录偏线噪声源水平，必要时进行噪声源方位角校正，其观测系统布置如图1所示。本工程为线性工程，为高效地进行高密度数据采集，故采用线性台阵观测系统。

观测系统主要参数：台阵排列长度200 m；台站间距10 m；勘探点距10～20 m；采样率2 ms；采集时间30 min。

2.3 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法是基于音频大地电磁法和大地电磁法发展起来的采用人工场源建立谐变电磁场来进行频率域测深的方法，在固定收发距r的情况下，人为改变电磁场的频率f，以达到探测地下不同深度地层构造的目的。一般来说，高频数据反映浅部的电性特征，低频数据反映深部的电性特征。因此，可控源音频大地电磁法在一个宽频带上观测电场和磁场信息，由此计算出视电阻率，进而推断测区地电特征和地下构造发育情况，其主要用于区域隐伏地质构造探测。

本次可控源音频大地电磁法通过场源试验，确定收发距约3 km，供电电极距约1.2 km，场源发射频率10～9 648 Hz，发射电流3～20 A，接收采用标量共磁道观测系统，电极距20 m，测点距20 m，一次完成5个勘探点数据采集。標量共磁道观测系统布置如图2所示。

2.4 高密度电阻率法

高密度电阻率法是以岩（矿）石的导电性差异为基础的一种阵列式直流电法勘探。该方法主要通过观测在施加电场的作用下地下传导电流的分布规律，推断地下具有不同电阻率的目标体的赋存情况。最大特点是可以一次性沿测线同时布设几十到几百根电极，按选定的供电、测量排列方式自动采集测量电极间的电位值及回路中的电流值。电极距可以视探测深度和探测目标体的尺度进行设置。图3为高密度电阻率法温纳装置观测示意。

本次高密度电阻率法采用温纳装置进行数据采集，电极距10 m，排列长度590 m，供电电压180 V。

3 应用效果分析

罗-铁工程物探勘察完成微动探测55 km，共3 050 个测点，可控源音频大地电磁法探测7 km，共351个测点，高密度电阻率法探测约5 km。下面结合实例，讨论分析各方法在城市输水隧洞勘察中的应用效果。

3.1 微动探测

该工程微动探测主要布置于城区，采用线性观测系统，所获得的背景噪声数据可以有效地进行频散曲线拾取，进而获得地下介质视横波速度结构。但受线性观测系统长排列观测方式影响，勘探体积效应较大，所得视横波速度与真横波速度之间存在系统误差，且浅部存在勘探盲区，盲区深度一般与台站间距一致。

图4为花岗岩地层微动探测视横波速度断面图。由图4可知，视横波速度由浅至深呈增大趋势，等值线成层性较好，视横波速度值整体较花岗岩横波速度值偏低；测点11～17位置视横波速度横向发生变化，等值线呈“下凹”形态，结合区域地质资料，推断为断层破碎带。根据此探测成果，在15号测点位置，布置了Z17钻孔对该异常区进行验证，钻孔揭露岩体完整性较差，存在碎裂岩，为区域断层影响带。

3.2 可控源音频大地电磁法

本工程可控源音频大地电磁法测线布置于丘陵区，探测成果表明，无电磁或弱电磁干扰区域，可以有效获得地下介质电性结构，在强电磁干扰区域或场源与测线之间存在电磁干扰源时，电道和磁道信号数据畸变严重，一般会引起大范围的低阻异常响应。

图5为花岗岩地层可控源音频大地电磁法视电阻率断面图。图（a）测线附近存在高压线电塔，受其电磁干扰影响，视电阻率值整体偏低，表现为极低阻响应，与Z2、Z5钻孔揭露的岩芯情况不符，即为“假异常”。图（b）测线附近无电磁干扰，视电阻率值由浅至深逐渐增大，测点1～7在高程-20～40 m范围内视电阻率较低，推断为风化深槽，ZJ6钻孔揭露该处全风化花岗岩底界面高程约为-17 m。

3.3 高密度电阻率法

该工程高密度电阻率法测线主要布置于进、出水口位置，探测成果表明，无游散电流分布区域可以获得地下介质电性结构，在高压电塔接地等游散电流分布区域，测量电位、电流畸变点较多，一般在中、浅部会引起闭合状低阻异常响应。

图6为高密度电阻率法视电阻率断面图。图（a）测线位于片麻岩地层，桩号170，260 m附近存在高压电塔，相应的在视电阻率断面图中出现闭合状低阻异常区，与A3钻孔揭露岩芯情况不符，即为“假异常”。图（b）测线位于花岗岩地层，由浅至深视电阻率值呈增大趋势，成层性较好，以视电阻率值1 700 Ω·m作为基岩-覆盖层分界面，推断覆盖层厚度与Z11钻孔揭露覆盖层厚度误差0.8 m。

4 结 论

本文以深圳市罗-铁工程物探勘察为例，在对微动探测、可控源音频大地电磁法、高密度电阻率法方法原理、观测系统介绍的基础上，分析研究了其在城市环

境下的应用效果，结论如下：

（1） 微动探测线性观测系统可有效获得地下介质视横波速度结构，但受长排列观测方式影响，勘探体积效应较大，所得视横波速度与真横波速度之间存在系统误差，且浅部存在勘探盲区，盲区深度与台站间距成正比。

（2） 可控源音频大地电磁法探测效果受测点附近及场源与测线之间的电磁干扰影响较大，强电磁干扰

一般会造成大范围极低阻“假异常”，无强电磁干扰时可有效进行隐伏地质构造探测。

（3） 高密度电阻率法探测效果受电极附近游散电流影响较大，一般会造成一定范围的闭合状低阻“假异常”，无游散电流干扰时可有效进行覆盖层厚度、隐伏地质构造等探测。

（4） 城市输水隧洞勘察强电磁、震动干扰区域宜采用微动探测等被动源弹性波法，无电磁干扰或弱电磁干扰区域可采用电磁法、直流电法，其探测成果应结合现场环境综合分析，以识别其中的“假异常”。

参考文献：

［1］ 钮新强，张传健.复杂地质条件下跨流域调水超长深埋隧洞建设需研究的关键技术问题［J］.隧道建设（中英文），2019，39（4）：523-536.

［2］ 王志强，李广诚.中国长距离调水工程地质问题综述［J］.工程地质学报，2020，28（2）：412-420.

［3］ 陈爽爽，李鹏，张智，等.线性台阵被动源面波法在地下空间探测中的应用［J］.人民长江，2022，53（2）：77-81.

（编辑：郭甜甜）