综合物探技术在铁路隧道勘察中的应用研究

韩 松 刘黎东 张连伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

隧道勘察历来是物探的一项重点工作,也是难点工作之一。近年来,随着高速铁路的建设,长大隧道越来越多。隧道覆盖层厚度、岩层风化程度、岩层界限、地质构造以及地下水情况等成为亟待解决的课题。隧道勘察探寻的对象主要是地表至洞身以下一定范围,高分辨率的地球物理探测技术不仅可以了解地表或近地表的地质现象,还可以获得其他方法难以获得的深部地质信息,同时具有经济和快捷的特点,在现代地质勘察中,尤其是在长大隧道勘察方面发挥的作用越来越大[1]。

本文以大黑山隧道勘察为例,探讨了天然源大地电磁测深(EH-4)和地震折射法在隧道勘察过程中的具体应用和实际效果。

1 方法原理

1.1 天然源大地电磁测深原理

本次物探工作使用的天然源大地电磁测深(EH-4)大地电磁仪是由美国EMI公司和Geometrics公司联合推出的EH-4型StrataGem电磁系统,能观测到距地表几米至800 m内地质断面的电性变化信息。基于对断面电性信息的分析研究,可以应用于地下水研究、环境监测、矿产与地热勘察及工程地质调查等。该系统适用于各种不同的地质条件和比较恶劣的野外环境。

其方法原理与传统的MT法一样,利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源,又称一次场。该一次场是平面电磁波,垂直入射到大地介质中。由电磁场理论可知,大地介质中将会产生感应电磁场,此感应电磁场与一次场是同频率的,引入波阻抗Z。在均匀大地和水平层状大地情况下,波阻抗是电场E和磁场H水平分量的比值。有

可得

式中:f为频率/Hz;ρ为电阻率/Ω·M;E为电场强度/(mV/km);H为磁场强度/nT;φE为电场相位;φH为磁场相位/(m·rad)。必须指出,此时的E与H,应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场,简称总场。在电磁理论中,把电磁场(E、H)在大地中传播时,其振幅衰减到初始值1/e时的深度,定义为穿透深度或趋肤深度(δ)

由上式可知,趋肤深度(δ)将随电阻率(ρ)和频率(f)变化,测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。一般来说,频率较高的数据反映浅部的电性特征,频率较低的数据反映较深的地层特征。因此,在一个宽频带上观测电场和磁场信息,并由此计算出视电阻率和相位,就可确定出大地的地电特征和地下构造,这就是天然源大地电磁测深(EH-4)大地电磁仪观测系统的简单原理。

1.2 地震折射法原理

地震勘探是通过人工激发的地震波向下传播,当遇到波阻抗差异界面产生折射或反射波,利用地震仪接收地震波,分析地震波在介质中的传播路径、传播速度,进而推测地下地质体分布的一种物探方法。

当波在地下介质层中传播并遇到分界面时,会产生反射、折射和透射。在工程地质勘察中常用浅层折射波法进行探测,它是仅利用折射波的初至时间来研究地下地质情况的方法。即由人工激发的地震波在地下传播的过程中,遇到下层介质波速大于上覆介质波速的速度界面时,如波的入射角等于临界角的情况,则其传播方向发生改变且沿界面下沿滑行,从而在界面的上覆介质中产生折射波。通过研究在地面观测到的折射波到达时间与该点相对于激发点之间的距离关系,可推断地质结构特征。

2 工作方法

2.1 天然源大地电磁工作方法

天然源大地电磁EH-4电磁测深法,野外工作采用的方法是连续电磁阵列剖面法CEMAP(Continued Electromagnetic Array Profiling)。在每一个测点进行张量测量,同时观测沿测线方向的电场、磁场和垂直测线方向电场和磁场,并且,沿测线方向的电偶极子的长度等于点距,两个测点沿测线方向的电偶极子首尾连接,实现CEMAP法的连续观测。

工作布置如图1所示。

(1)观测点的布置:测点采用RTK放点,要求点位差小于0.5 m。

(2)在开展工作之前首先要做平行试验,检测仪器是否工作正常,要求两个磁棒相隔2～3 m,平行放在地面,两个电偶极子也要平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号。

(3)电极的布置技术:如图1所示,共用4个电极,每两个电极组成一个电偶极子。为了便于对比电场信号,其长度都要相等。与测线方向一致的电偶极子叫做X-Dipole;与测线方向垂直的电偶极子叫做YDipole。为了保证Y-Dipole电偶极子的方向与X-Dipole的相互垂直,需用罗盘仪确定方向。

(4)磁棒布置技术:磁棒离前置放大器应大于5 m。为了消除人为干扰,两个磁棒要埋在地下至少5 cm。用罗盘定方向使其相互垂直且水平,所有的工作人员要离开磁棒至少10 m,尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

(5)AFE(前置放大器)布置技术:电、磁道前置放大器放在测量点上,即两个电偶极子的中心,为了保护电、磁道,前置放大器应首先接地。

(6)主机布置技术:主机要放置在远离AFE(前置放大器)至少20 m的一个平台上,而且操作员最好能看到AFE和磁棒的布置。

2.2 地震折射法工作方法

本次工作采用美国Geometrics公司生产的NZ-72地震仪,该仪器具有灵敏度高,动态范围大,分辨率高,性能稳定等特点。采样时间256 ms,采样间隔为0.25 ms,采样率为1024,道间距10 m,最大炮检距80 m,每排列24道,锤击震源。

3 数据处理

3.1 EH-4数据处理流程

EH-4系统具有数据综合处理和解释的能力,特别是其现场处理功能,可以使用户在现场看到测量结果并根据它调整野外测量参数,不会影响野外施工。数据处理主要由IMAGEM程序控制,编辑过程是人机联作形式,对某些不光滑的频率点的数据进行修改使频率曲线趋于光滑。一般认为这些数据点是干扰所造成,对其修改在理论上是成立的,而且使得到的二维解释电阻率更接近大地真实电阻率。一维处理将时间数据变换为频率数据,得到振幅、相位及相关曲线,对功谱文件数据进行一维反演即可得到电阻率曲线。二维数据处理:对连续几个测点进行联合处理,在完成EMAP静态校正及平滑处理后,最终获得构造电阻率断面。数据处理过程如图2。

3.2 地震折射资料处理流程

折射资料处理流程是先读出各原始记录的初至时间,绘制时距曲线,然后利用T0法求取各层速度及速度层的埋深,并利用各层的弹性波速度并结合钻探、地质测绘和地形地貌,划分覆盖层、基岩风化带,推断可能的地质异常体。流程如图3。

图2 EH-4系统工作流程

图3 地震折射处理流程

4 大黑山隧道应用实例

大黑山隧道属于改建铁路白阿线白城至乌兰浩特段,位于内蒙古乌兰浩特市郊区靠山屯村附近,全长2 000 m,进口里程DK74+850,出口里程DK76+850。

工区属于剥蚀丘陵及丘前缓坡地形,冲沟较发育,地形起伏较大,植被较发育(多为种植林),局部覆盖第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)粉质黏土、粉土,以及细、粗角砾土,岩性主要为侏罗系上统(J3)凝灰岩,沿线局部出露于地表。

4.1 大黑山隧道天然源大地电磁(EH-4)

天然源大地电磁(EH-4)成果中使用不同颜色进行电阻率分级,红色为低阻,对应软弱岩层或者黄土等第四系覆盖层、岩体破碎区、地下水聚集区;黄色为中低阻,岩石完整性较差,裂隙发育;白色为中阻,岩石较完整,局部发育裂隙;蓝色为高阻,岩体完整。

对物探异常解释主要依据的原则为:隧道的施工可能从大里程到小里程、也可能从小里程到大里程,最危险处应为邻近高低阻的隧道段落,即高低阻变化处,最接近可能存在(承压的)地下水的位置,容易出现塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害,重点标识为I类异常,大致对应于地质围岩的Ⅴ、Ⅳ级围岩;低阻区域圈定为II类异常,大致对应于地质围岩的Ⅳ围岩,该类异常临近高低阻变化的明显低阻,也是容易出现危险区域,围岩的完整性差。施工穿越明显高低阻变化处后,地下水基本得到释放,危险性显著降低。

图4为大黑山隧道及旁测线天然源(高频)大地电磁(EH-4)物探成果图的局部,黑色直线为洞身位置。DK75+650～DK75+850段洞身通过围岩为相对中阻,推断围岩完整性一般。DK75+725～DK75+800段洞身位于软硬基岩分界处,施工时应加以重视。DK75+950～DK76+000段 、DK76+075～DK76+125段洞身处围岩,电阻率等值线变化剧烈,推测围岩破碎、含水,分别定义为物探异常WT1-2,WTI-3,施工时应加以注意。洞身DK76+025处呈现自上至下的低阻区域,电阻率等值线呈现竖向走势,推断为断层的表现,定义为断层F1。在此段右40 m加布一条旁测线。在DK76+025右40 m处也出现断层反应,定义为断层F1,从而验证了隧道中线DK76+025处断层的准确性。

4.2 大黑山隧道地震折射

图5为大黑山隧道地震折射物探成果的局部。上覆风化凝灰岩、碎石土纵波速度为1.4～1.8 km/s,下层凝灰岩纵波速度为4.0～4.4 km/s,其中在DK76+000～DK76+060段出现一纵波波速低速带,下层凝灰岩纵波速度为2.8 km/s,推断为断层F1的表现,从而验证了天然源大地电磁(EH-4)的勘察结果。

图4 大黑山隧道及旁测线EH-4物探成果(局部)

图5 大黑山隧道地震折射物探成果(局部)

依据物探成果布置的钻孔位于DK76+045左7 m处,钻孔编号10-ZD-546,孔深40.2m。0～1.6 m,粉质黏土;1.6～5.7 m全风化凝灰岩,岩心呈块状;5.7～25 m强风化凝灰岩,岩心呈块状;25 m以下为弱风化凝灰岩,裂隙发育,较破碎。钻孔资料较好的吻合了天然源大地电磁以及地震折射的勘察成果,说明此次物探工作是非常成功的。

5 结论

天然源大地电磁(EH-4)对于埋深较浅(最大埋深87 m)隧道的断层构造勘察是有效的。

天然源大地电磁(EH-4)、地震折射法等综合物探方法在该隧道勘察中的应用是成功的,对铁路选线提供了有力的地质依据,满足了地质任务要求,并指导了钻孔的布设,基本探明了本隧道的岩层界限、地质构造等情况,对类似地区的铁路地质勘探工作具有指导意义。

天然源大地电磁(EH-4)中,使用不同颜色进行电阻率分级;对于可能容易出现塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害部分做出了明确的标示,对设计和施工具有较强的指导意义,可有效降低地质灾害发生几率。对相似地区具有一定的指导意义。

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