CSAMT结合高密度电阻率法在铁路深埋隧道勘探中的应用

张 军

（中铁一院集团甘肃铁道综合工程勘察院有限公司，兰州 730000）

CSAMT结合高密度电阻率法在铁路深埋隧道勘探中的应用

张 军

（中铁一院集团甘肃铁道综合工程勘察院有限公司，兰州 730000）

在铁路深埋隧道工程地质勘察中，采用CSAMT法结合高密度电阻率法勘探组合。高密度电阻率法弥补了CSAMT法对浅部分层上的不足，同样CSAMT法又弥补了高密度电阻率法在勘探深度上的不足。当在接地良好、电磁干扰较小的地质环境条件下，两种方法都可以划分层面，用两种方法相互验证，得到的结果更接近实际情况。通过实例证明此种组合是一种行之有效的勘探方法。

CSAMT；高密度电阻率法；二维反演；深埋隧道

0 引言

近年来，随着国家对铁路建设的投资规模越来越大，人民对出行速度的要求也越来越高，设计的铁路深埋隧道（大于200m）也越来越多。隧道埋深越大，地质结构越复杂，勘察难度也越大，如何对深埋隧道进行有效的地质勘察，是摆在当前地质工作者面前的一个难题［1］。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）具有探测深度大（可至2km）、横向分辨率高、抗干扰能力强等特点，是当前勘探深埋隧道的重要方法［2］。高密度电阻率法具有数据量大、成本低、效率高等特点，且能较直观地反映地下地质体的形态、规模等，是当前勘探浅埋（小于200m）隧道的重要方法。

由于隧道进出口段埋深普遍较浅，因此探测深埋隧道的有效工作方式为：利用CSAMT法对隧道进行贯通布置，然后利用高密度电法对隧道进出口浅埋段进行布置，这样二者可以互相弥补，互相验证。

1 CSAMT基本原理

CSAMT法是在大地电磁法（MT）和音频大地电磁法（AMT）的基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法［3］。它的工作原理就是利用人工场源激发地下岩石，在电流流过时产生电位差，然后用仪器接收不同供电频率形成的一次场电位（图1）。由于不同频率的激励场具有不同的趋肤深度，因而观测结果可以反映测点下电阻率随深度的变化特征［4］。通过观测不同发射频率下电磁场的正交电磁分量及其相位差，可以计算出不同深度下的视电阻率值［5］；通过沿一定方向（设为X方向）布置的供电电极AB向地下供入某一音频f的谐变电流，在一侧60°张角的扇形区域内，沿X方向布置测线，沿测线逐点观测相应频率的电场分量Ex和与之正交的磁场分量Hy，进而计算卡尼亚视电阻率

图1 CSAMT法原理示意图Fig．1 CSAMT schematic diagram

图2 测量系统拟断面图Fig．2 Sequence of measurements used to build up apseudosection

和阻抗相位φz＝φEx－φHy

式中：φEx、φHy为Ex和Hy的相位；μ是大地的磁导率。通过在相关音频段逐次改变供电电流和测量频率的方法，可测出卡尼亚视电阻率和阻抗相位随频率的变化，从而得到卡尼亚视电阻率、阻抗相位随频率的变化曲线，完成频率测深［6］。

2 高密度电阻率法基本原理

高密度电法是直流高密度电阻率法，与从中还发展出直流激发极化法统称为高密度电法。其基本原理与常规电阻率法相同，它是以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律来解决地下地质问题［7］。高密度电法实际上是一种阵列勘探方法，它的地面电极是一次性布设完成的（图2），布设完后统一进行数据观测。由于其具有点距密、测量自动化程度高、成本低等优点，越来越受到人们的重视。

3 工区概况

3．1 测区地质概况和地球物理勘探前提

新疆某铁路隧道位于新疆木垒县境内，设计隧道长度为9 165m，最大埋深约为329m，地形起伏较大。线路经过北天山中山区及剥蚀缓丘区，冲沟发育，沟心表层以碎石类土为主，夹杂砂类土薄层，隧道出口段冲沟内分布上第三系泥岩，沟心两侧主要出露石炭系凝灰岩及凝灰质砂岩；隧道范围内未见地表水，地下水位埋深不大；隧道通过范围内褶皱构造发育，且通过1条区域性断裂，存在2处岩性接触带，长大节理及节理密集带较发育，地质条件较为复杂。

在物探工作前期，对隧道区域内代表性岩石的电性参数做了直流电测深测试，其中包括上第三系泥岩和石炭系凝灰岩，并对凝灰岩按其风化程度分为两类分别做了测试，即风化岩体和相对完整岩体，具体测试结果见表1。

表1 不同岩性视电阻率值统计Tab．1 The apparent resistivity values of different lithologies statistics

从表1可以看出，测区内岩体具有一定的电性差异，这为测区的电法勘探工作提供了前提条件。

3．2 野外施工方案

隧道洞轴采用CSAMT法布置贯通，点距为25 m；隧道出口段采用高密度电阻率法布置，剖面长为1．5km，电极距为10m（图3）。由于物探测线并非全部位于隧道中线，故在形成断面图时，将位于线路中线附近且方向与线路一致的剖面投影到线路上，即断面图上的里程是投影里程（分析描述时按地面里程进行分段）。

4 数据处理及解释

首先对高密度电阻率法野外采集的数据进行处理，再对地形进行反演，这些工作都可以在二维电阻率反演软件下实现。数据处理工作主要是剔除一些由接地不好电极影响的坏数据和采集系统自带的随机高斯干扰数据。使用的二维反演软件是瑞典ABEM公司的res2dinv软件，该软件使用快速最小二乘法对电阻率数据进行反演，可带地形反演进行地形校正。其流程为：首先将数据转换成反演软件可识别的文件，将地形数据导入该数据文件中；其次是反演，将上一步生成的数据调入反演软件中，设置反演参数、网格参数、选择有限元模型、修改模型层厚度因子，再根据各断面实际情况确定是否选择ROBUST反演数据约束等，然后进行反演，最后选择合适的迭代结果来做反演成果图［8］（图4），再结合工区地质资料初步判断异常位置。

CSAMT数据处理过程使用的数据处理软件是Geosystem公司的WINGLINK，该软件是一个综合性的地球物理（非地震）解释软件。通过CSAMT数据所做出的频率拟断面图，结合高密度电阻率法所判断出的异常位置，对照CSAMT原始数据频率拟断面图的异常趋势，看二者的异常是否具有对应关系。对于没有对应的异常，应判断是否因干扰原因（静态位移、地形影响、近场影响等）所造成的虚假异常；对于有对应的异常，依据高密度电阻率法资料及CSAMT资料相位曲线，确定CSAMT曲线编辑原则（重点在于数据高频段的拟合）。

图3 新疆某铁路隧道物探平面布置图Fig．3 Xinjiang a railway tunnel geophysical prospecting the floor plan

1）数据编辑是资料处理的重要部分，它包含数据的审验、圆滑、曲线编辑、静校正等内容，主要目的是消除仪器噪声、天然电磁噪声、风噪声和人文噪声引起的明显畸变，并为模型背景的确定、静态校正等反演参数选择提供依据［9］。

2）曲线编辑是利用“D＋圆滑”方法来编辑曲线，该方法将视电阻率曲线和相位曲线结合，且不会削弱有效信号，也不会对数据进行剔点处理，减少了人工编辑中人为因素的干扰，提供了静态偏移校正。它可以对存在静态效应电阻率曲线的数据作静校正，且在反演模块中可以通过“static shift”参数来设置静校正值。在反演中对数据进行自动静校正，能对曲线的逐个频点对应的视电阻率和相位进行编辑，能实现曲线的反复编辑拟合，可以有效去掉有误的频点，保证视电阻率和相位曲线间的物理有效性，提高反演效果。手动校正完成之后应重新生成拟断面图，通过对比来确认以上校正的有效性，必要时对个别曲线应多次校正、反复对比，以达到合适的校正效果［10］。

对编辑后的CSAMT数据进行二维反演，建立反演剖面、确定有效拟合频段、选择初始模型、剖分带地形的有限差分的网格、设定反演电阻率背景值等。初始背景电阻率值应该在参与反演的数据频率范围给定后再设定，参与反演最高频率只需包含实测数据的最高频即可，不宜过高。如果最高频率过大，会造成网格太密，网格节点数多，容易使程序运算时“溢出”。另外初始电阻率值的设定应该参考测区已知物性资料。同时选取正则化因子、设置权重系数、迭代次数、选取拟合误差后才能进行带地形的“NLCG”反演。由于物探结果的多解性，反演参数的选择至关重要，因此需经过多次试算才能得到最合理的参数［11］。反演结束后，选择最为合适的反演结果绘成CSAMT二维反演电阻率等值线断面图（图5）。

从图4、图5中可以看出，高密度电阻率反演断面图所反映出的浅部电性分层较为明显、对浅部的断层反应较为明显，其中在DK172＋000—DK172＋100、DK172＋300—DK172＋400以及DK172＋800—DK172＋900段存在三段明显的低阻异常；在CSAMT二维反演电阻率等值线断面图中仅在DK171＋850—DK172＋000及DK172＋600—DK172＋800段具有明显的向下延伸的低阻异常反映，且无法区分开强风化凝灰岩和断层角砾的电性差异，因而无法确定断层的走向及宽度。通过高密度电阻率反演断面图中断层对应在CSAMT二维反演电阻率等值线断面图的位置，可以得出断层角砾的电阻率值范围，从而对CSAMT二维反演电阻率等值线断面图中的低阻异常做出合理划分（图6）。这样既能保证勘探的深度要求，又能对隧道的浅部异常作合理的判断，从而提高了勘探的精度。

图4 新疆某铁路隧道高密度电阻率法反演断面图Fig．4 Xinjiang a railway tunnel high density resistivity method resistivity inversion the sectional drawing

图5 新疆某铁路隧道CSAMT二维反演电阻率等值线断面图Fig．5 Xinjiang a railway tunnel CSAMT 2Dinversion resistance isoline rate cut

图6 新疆某铁路隧道物性地质断面图Fig．6 Xinjiang a railway tunnel CSAMT property geological the sectional drawing

结合这两种方法的反演结果可以看出，断层破碎带及节理密集带内（fw3、fw4、fw5、fw6、fw7）电阻率值明显低于两侧背景值，对勘探区域内的低阻异常带做出了相对比较合理的划分（所描述的里程为根据岩性构造的走向投影在线路洞身附近的里程）。对以上构造带的物性地质特征描述如下：

1）fw3断层位于DK172＋815—DK172＋695段，沿剖面宽约120m，向小里程方向陡倾，断层发育在石炭系（C）凝灰岩中，断层带内电阻率为100 Ω·m～200Ω·m，岩体破碎，含水。

2）fw4断层位于DK172＋565—DK172＋500段，沿剖面宽约65m，向大里程方向陡倾，断层发育在石炭系（C）凝灰岩中，断层带内电阻率为100 Ω·m～200Ω·m，岩体破碎，含水。

3）fw5断层位于DK172＋355—DK172＋270段，沿剖面宽约85m，向小里程方向陡倾，断层发育在石炭系（C）凝灰岩中，为隐伏断层，被第三系泥岩所覆盖，断带向下延伸约100m，断层带内电阻率为100Ω·m～200Ω·m，岩体破碎，含水。

4）fw6断层位于DK172＋120—DK172＋035段，沿剖面宽约85m，向大里程方向陡倾，断层发育在石炭系（C）凝灰岩中，为隐伏断层，被第三系泥岩所覆盖，断带向下延伸约100m，断层带内电阻率为100Ω·m～200Ω·m，岩体破碎，含水。

5）fw7断层位于DK171＋930—DK171＋830段，沿剖面宽约100m，向大里程方向陡倾，断层发育在石炭系（C）凝灰岩中，断层带内电阻率为50 Ω·m～200Ω·m，岩体破碎，含水。

为了验证以上推断，在里程DK172＋050（图7）及DK171＋900处各布置了一个钻孔，结果从其中打出了断层泥及断层角砾，与物探推测结果对应较好。

图7 里程DK172＋050处钻孔现场岩芯照片Fig．7 The mileage DK172＋050at the drilling site core photos

5 结语

通过CSAMT结合高密度电阻率法对新疆某铁路隧道勘探中的应用研究，准确而详实地划分了隧道通过区域的地层结构和工程地质概况，为以后的工程施工提供了依据。由此可见，CSAMT法结合高密度电阻率法在深埋隧道勘察中具有很好的效果。

CSAMT法能有效探测高阻覆盖层下的地质信息，电磁信号不受高阻影响，在高阻介质中转播的更深，能有效地探测到深层地质信息，受场地影响较小，不过对浅层分辨率较低；高密度电阻率法具有点距小、数据量大、分辨率高等特点，能较直观、有效、准确地反映浅层地下地质体的电性特征，但是勘探深度有限，且地表存在高阻覆盖层的情况下，对深部地区很难取得良好的勘探效果。因此对于勘察深埋隧道时，使用这两种方法可以互相弥补双方的不足，且能互相验证，从而达到良好的勘察效果。

致谢

作者在编写过程中，得到了中铁一院甘肃勘察院物探所韩永琦、蔡少峰、张光保的指导和改正，在此表示感谢。

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Application in railway tunnels deep exploration of the CSAMT combined high density resistivity method

ZHANG Jun
（The exploration geophysics department of the Gansu Railway Exploration and Survey Institute，FSDI Group，Lanzhou 730000，China）

In railway engineering geological exploration in deep tunnel，a combination of CSAMT high density resistivity method prospecting combinations is used．High density resistivity method to make up for lack of CSAMT shallow portions of the layer，the same，CSAMT up for the lack of high－density resistivity method in the exploration depth．When there is a good grounding，electromagnetic interference smaller geological environment，both methods can be divided into levels，there are two ways to authenticate each other，and the result is closer to the actual situation．This paper describes examples of the kinds of combinations of process application in practice to demonstrate that this combination is an effective exploration method．

CSAMT；high density resistivity method；2Dinversion；deep tunnel

P 631．3＋25

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．08

1001-1749（2015）03-0313-06

2014-09-04 改回日期：2014-10-21

张军（1982－），男，工程师，主要从事地球物理勘探方法研究，E-mail：zj0931＠vip．qq．com。