音频大地电磁法在某隧道塌方勘察中的应用

朱凡凡

【摘要】简要介绍了音频大地电池阀的原理及资料解释的特点，结合实际工程实例对解释成果做系统的分析，推断了隧道断层或破碎带以及塌方段空腔的位置及发育情况。通过钻探验证，证实了大地电磁解释成果的准确性。

【关键词】音频大地电磁法；塌方；空腔

1 引言

在隧道开挖施工中，在岩体不稳的地段，会发生坍塌，从而形成空腔等不良地质体，影响施工的进程和质量。为查明不良地质体的发育情况，可以采用音频大地电磁法进行勘察[1]，相比高密度电法和地震折射法，大地电磁法具有探测深度达、精度高、受地形影响小、技术成熟等特点。该方法目前广泛用于公路、铁路、矿区勘察中，可有效查找断层或破碎带、、采空区、塌方空腔等地质构造。

某公路工程隧道出口右洞K4+061-K4+101段顶拱发生坍塌。塌方时伴有地下水涌出，塌方量约10000m2左右。测段内主要岩性为燕山期花岗岩，形主要属丘陵地貌，沿线地表植被发育，灌木杂草丛生。根据业主委托，查找该段断层或破碎带以及塌方段形成的空腔的位置及发育情况，由此判定对隧道工程的影响。考虑到工期紧、地形复杂等实际情况，采用音频大地电磁法对该塌方段进行勘察。

2 工作方法原理

方法原理与传统的MT法一样，它是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的水平分量的比值[2]。

（1）

（2）

（3）

式中f是频率，单位是Hz，ρ是电阻率（ ），E是电场强度（mv/km），H是磁场强度（nT），φE是电场相位，φH是磁场相位，单位是mrad。必须提出的是，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）

（4）

由（4）式可知，趨肤深度（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。可确定出大地的地电特征和地下构造。

大地电磁法工作原理图如下所示：

图2 大地电磁法工作原理图

3 资料处理解释

利用专业软件IMAGEM处理，处理流程如下：时间序列数据挑选-----重构阻抗文件-----在频率域对视电阻率数据编辑-----数据反演-----地形校正-----Surfer绘制等值线图[3]。

图3为测点里程80-120段电阻率等值线横向不连续，推测该段

存在断裂构造，具体如图所示，倾角约80度。图中青色区域推测为受施工影响区域。结合地质调查资料，整体该区域推测断裂构造1个，该构造与隧道小角度斜交，走向约93°，倾向约3°，倾角约80度，断层破碎带宽约40m，具体如地质断面图中红色虚线所示。在标高约30多米处发现有垮塌空洞，垮塌影响的平面范围具体如图1.2.4所示，该垮塌体影响范围长度约50m（东西向）、宽度约25m（南北向）、高度约30m。

图3 EH-4大地电磁测深地质断面图

经钻探资料验证，EH-4大地电磁推断结果符合实际地质情况。

4 结语

根据视电阻率测试结果，推断了塌方段断层或破碎带、塌方段空腔的发育情况。并根据地质调查结果和钻探验证，证实了大地电磁推断解释成果的准确性。

参考文献：

[1]楼凯峰，周志军，史成江.高频大地电磁测试技术在浙江某隧道勘察中的应用[J].公路，2011（8）：2242～226

[2]何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社，1990

[3] 孙茂锐，罗术.高频大地电磁法与地震折射波法在某隧道隐伏断层勘探中的综合应用[J].工程地球物理学报，2013，9（5）