CSAMT在隧道工程勘察中的应用——以重庆三环高速公路明月山隧道为例

王丽妍，胥博文，杨毅，石峰

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊河北 065000）

CSAMT在隧道工程勘察中的应用
——以重庆三环高速公路明月山隧道为例

王丽妍1，胥博文1，杨毅2，石峰1

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊河北 065000）

采用可控源音频大地电磁法（CSAMT），探测了重庆三环高速公路合川至长寿段明月山测区深度600 m以内溶蚀裂隙密集带、溶洞发育区和断裂等不良地质现象的分布情况，发现在测区北部，拟建隧道要通过溶蚀裂隙密集带、溶洞发育区，还要穿越断裂带；在测区南部，岩溶形式主要表现为地下暗河出露，地表多处出现泉水，线路越往南移，预计地下水也越丰富，因此，建议抬升拟建隧道标高，并将隧道位置定于测区北部。本次研究可为隧道工程选线提供地质和地球物理依据。

CSAMT；岩溶；溶蚀裂隙；隧道；重庆

重庆三环高速公路全长约500 km，串起14个区县，是“1小时经济圈”的环线高速公路，可实现公路、水路、铁路无缝连接，对重庆社会经济发展起着至关重要的作用。三环高速公路合川至长寿段需穿越明月山，该地区地形复杂，地面高差较大，溶洞及岩溶裂隙发育，探测明月山测区内溶蚀裂隙密集带、溶洞发育区和断裂等不良地质现象的深度和范围是本次工作的重点。本次采用CSAMT在明月山测区布设6条测线，根据测线视电阻率断面及地质推断解释剖面图，推断溶洞、岩溶裂隙发育情况及断裂分布情况[1-3]，并在相应位置布设物探异常验证钻孔进行验证，CSAMT推测岩溶裂隙和断裂的位置及深度与异常验证钻孔视电阻率曲线低阻值位置及深度可以很好的吻合。CSAMT勘探成果可为隧道工程选线提供地球物理依据。

1 测区概况及测线布设

1.1 测区基本概况

明月山背斜北起四川开江县中新场，往南跨过长江至重庆市巴南区惠民镇附近，长220 km，宽约2～8 km。走向呈北东25～30°，为不对称背斜，东陡西缓，西翼岩层倾角30～55°，东翼岩层倾角55～70°。测区主要的断层为北东向的白云山压扭性逆断层，位于明月山背斜轴部，与背斜轴平行相邻，局部重合，长约16 km，地面断开地层为二叠系上统长兴组，受断层影响，断层带附近岩石破碎，产状紊乱，且破坏了背斜轴部。测区地层由老至新为二叠系长兴组，三叠系嘉陵江组、雷口坡组、须家河组和第四系地层（图1）。

第四系地层：主要为粉质粘土，结构松散。主要分布于沟谷和斜坡坡麓，厚度0～10 m。

三叠系上统须家河组（T3xj）：为主要的含煤地层，岩性为黑色页岩、砂质页岩与灰色砂岩。分布于明月峡背斜两翼，与下伏地层呈假整合接触，层厚400～600 m。

三叠系中统雷口坡组（T2l）：灰、黄灰色白云岩、白云质灰岩，中部为灰色、黄灰色泥灰岩夹角砾岩、页岩，底部有浅绿色薄层粘土岩，层厚90～200 m。

三叠系下统嘉陵江组（T1j）：灰岩、白云岩互层夹膏盐角砾岩，局部夹页岩，分布于背斜两翼，层厚约500 m。

二叠系上统长兴组（P2c）：下部为灰、深灰色中-厚层状灰岩、骨屑灰岩夹薄层状钙质页岩，中上部为灰、灰白色中厚层状含燧石结核、条带灰岩与白云质灰岩，顶部为灰色薄层灰岩、白云质灰岩与粘土岩不等厚互层夹硅质层及燧石条带，位于背斜核部，层厚约125 m。

图1 测区地质图Fig.1 Geological map of the survey area

1.2 地球物理前提

测区内土层与基岩，破碎岩与完整灰岩，砂、泥岩与完整灰岩等都存在着明显的电性差异。一般情况下，完整的长兴组灰岩、嘉陵江组灰岩和雷口坡组白云岩电阻率大于4 000 Ω·m，当岩石破碎、饱和含水，电阻率一般小于2 500 Ω·m；泥灰岩一般电阻率在几百至2 000 Ω·m之间；砂、泥岩电阻率在几十至几百Ω·m之间，若饱和含水，电阻率甚至低至几Ω·m；当岩石受地质构造作用，岩石破碎、裂隙发育，充水或充泥时将导致破碎带内的电阻率进一步降低。这些电性差异，为采用电阻率方法来探测地下的地质结构和构造，具备了地球物理应用前提。

1.3 CSAMT基本原理及测线布设

可控源音频大地电磁法（CSAMT）[4-6]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。这种方法是使用接地导线或不接地回线作为场源，在波区测量相互正交的电、磁场切向分量，计算波阻抗—卡尼亚电阻率，并同时获得阻抗相位—电、磁场分量间的相位差。本方法有三大特点：使用人工源，而不是使用天然源；测量卡尼亚视电阻率，而不是测量单分量（Ex或Hz）视电阻率；改变频率进行测深。

根据探测深度及场地的地质条件，采用加拿大Phoenix公司生产的V8多功能电法仪，在明月山测区布设CSAMT测线6条[7，8]。收发距为12 000 m，采集频率为1～8 192 Hz，采集时间为30 min左右。以背斜轴部岩溶区为主要探测对象，东西两翼延伸至碎屑岩组，由北东方向至南西方向分别为第1测线至第6测线（图1）。以第1、第2测线为例（图2、图3）。

2 解释成果及分析

2.1 数据解释

第1测线共推断出破碎带4条，编号F1、F2、F3和F4；溶蚀裂隙破碎区两处，编号p1，p2；溶洞11处，编号r1，r2，……r11（图2）。2 120～3 700 m里程段为三叠系下统嘉陵江组碳酸盐岩。从视电阻率断面中，雷口坡组与嘉陵江组的接触界限清晰，嘉陵江组碳酸盐岩在界线处呈现明显的高电阻率特征。在该组碳酸岩中，电阻率高值背景中的低阻异常，推断为溶洞（标记为r1，r2…，r9）或溶蚀裂隙破碎区（标记为p1，p2）。溶蚀裂隙破碎区中尤其以p1明显，范围大，下延深，特别是在桩号2 750 m、2 925 m里程处，低阻异常发育深度大，下延至100 m高程，形成两处明显的凹陷异常，向上呈现低值异常区，该区内推断多处有溶洞发育，标记r1～r6。溶蚀裂隙破碎区p2东侧与三叠系下统飞仙关组页岩接触，多处有溶洞发育，标记r7～r9。

图2 第1测线视电阻率断面及地质推断解释剖面图Fig.2 Cross-section of apparent resistivity and sectional figure of geological speculation of line 1

图3 第2测线视电阻率断面及地质推断解释剖面图Fig.3 Cross-section of apparent resistivity and sectional figure of geological speculation of line 2

第2测线共推断出破碎带两条，编号F2和F3；溶蚀裂隙破碎区4处，编号p3，p4，p5和p6；溶洞8处，编号r12，r13，……r19（图3）。

2.2 物探异常验证钻孔

在第1和第2测线各布置3个物探异常验证钻孔，分布于测线的两端和中间。各点视电阻率测深曲线见图4，各段低阻异常见表1。

CSAMT推测岩溶裂隙及断裂位置及深度与异常验证钻孔视电阻率曲线低阻值位置及深度可以很好的吻合。

图4 异常验证钻孔视电阻率测深曲线Fig.4 The apparent resistivity sounding cure of anomaly verification drilling

表1 钻孔位置及CSAMT解释低阻异常段Tab.1 The borehole location and the low resistivity anomaly of CSAMT interpretation

2.3 综合分析

地表嘉陵江组岩溶的主要表现为呈线状发育的落水洞、溶洞、漏斗等，地表水通过落水洞等排入地下，成为地下水与地表水联系的主要通道。从地貌上看，嘉陵江组沿槽谷呈北东-南西向，具有有利的汇水条件和具备一定的汇水面积，高程从北向南逐渐递减。测区的北段以埋藏型为主，而南段则以出露地表为主，显然南段较北段富水，成为南北向的主要富水带。嘉陵江组以破碎带（F3）为主要的导水构造。长兴组灰岩的破碎带（F2）及附近可能存在岩溶强烈发育。碎屑岩夹碳酸盐岩的雷口坡组，岩溶主要发育在与纯碳酸盐岩的接触带上，以溶蚀裂隙破碎形式为主。地层产状也有利于地下水沿非可溶岩、可溶岩或破碎带边界运移，有利于在纯碳酸盐岩一侧形成强烈的岩溶发育区，此类接触带也是很好的储水空间。

测区北部拟建隧道高程为430～350 m，隧道将通过两条测线的溶蚀裂隙密集带或溶洞发育区，穿越F2、F3等岩溶破碎带等不良地质现象，而此地段地表多发育落水洞等，接收地表水的补给，因此建议抬高拟建隧道标高，尽量减少岩溶水对隧道掘进施工以及后续运行的影响。而若在测区南部选线，岩溶形式则主要表现为地下暗河出露，地表多处出现泉水，有可能疏干地表泉水，影响地下暗河水量，另外线路越往南移，预计地下水也越丰富。综合分析建议，被选线路尽量北移。

3 结语

根据本次CSAMT勘查在明月山地区取得的成果有如下几点认识：

（1）CSAMT在明月山地区，地形复杂，地面高差较大，荆棘丛生等极端地形下也可以取得很好的勘探成果。

（2）CSAMT对高阻屏蔽小，明月山测区中，在高阻中圈定低阻异常，为推断溶蚀裂隙及溶洞的位置提供依据。

（3）CSAMT横向分辨率高，可灵敏的发现断层。

（4）CSAMT在隧道勘查中，勘探效果明显，圈定溶蚀裂隙及溶洞的位置，发现断裂破碎带，为隧道工程选线，提供依据。

（5）CSAMT引入人工源，不可避免会产生静态效应[9]等源效应问题，且物探方法存在多解性[10]，采用综合勘查方法、引入先进的数据处理方法以提高工作精度是今后勘查的发展方向。

[1]许广春，习铁宏，段洪芳.可控源音频大地电磁法（CSAMT）在隧道勘察中的应用[J].工程勘察，2008（6），68-71.

[2]李坚，邓宏科，张家德.可控源音频大地电磁勘探在大瑞铁路高黎贡山隧道地质选线中的应用[J].水文地质工程地质，2009（2），72-77.

[3]宋国阳，刘国争.可控源音频大地电磁法在工程隧道勘查中的应用[J].煤炭技术，2009，28（9），147-149.

[4]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[5]吴璐苹，石昆法，李荫槐.可控源音频大地电磁法在地下水勘查中的应用研究[J].地球物理学报，1996（05）：712-717.

[6]王赟，杨德义，石昆法，等.CSAMT法基本理论及在工程中的应用[J].煤炭学报，2002，27（4）：383-386.

[7]SY/T5772-2002.可控源声频大地电磁法勘探技术规程[S].2002.

[8]黄力军，陆桂福，刘瑞德.可控源音频大地电磁测深法应用实例[J].物探化探计算技术，2006，28（4），337-342.

[9]罗延钟，何展翔，马瑞伍，等.可控源音频大地电磁法的静态效应校正[J].物探与化探，1991，15（3）：196-202．

[10]张国鸿，李仁和，张良敏.可控源音频大地电磁法若干方法技术问题的探讨[J].安徽地质，2009，19（2），119-124.

Application of CSAMT in tunnel engineering investigation ：a case study of the tunnel in Mingyue mountain of the tricyclic expressway in Chongqing

WANG Li-yan1,XU Bo-wen1,YANG Yi2,SHI Feng1

（1.Tianjin Geothermal Exploration and Designing Institute，Tianjin 300250,China 2.Geophysical Institute of Geochemistry,ChineseAcademy of Geological Sciences,Langfang Hebei 065000,China）

Using the Controllable Source Audio Frequency Magnetotelluric（CSAMT）exploration method（CSAMT）to probethe distribution of the adverse geological phenomenas,such as ascorrosion crack dense band,cave developed area or fractures,Hechuan-Changshou section depth less than 600 m within the survey area of the Mingyue mountain of the tricyclic expresswayin Chongqingcity,we found the tunnel will pass through the dissolution fissure zone,karst area,and fault zone in the north area.In the southern part of the survey area,karst form mainly is underground riverexposing on the surface,and the springs are more in the north than in the south.Then,it is suggested that the tunnel elevation should be upraised,the tunnel position should be in the north area.This research can provide the basis geological and geophisical information for the tunnel engineering.

CSAMT；Karst；dissolution fissure zone；tunnel；Chongqing

P631.3+25

A

1672－4135（2017）01－0157-05

2016-09-19

重庆市三环高速公路合川至长寿段明月山隧道比较线可控源音频大地电磁法探测

王丽妍（1985-），女，物探工程师，硕士研究生，主要从事电法勘探，寻找矿产资源，地热资源，及与地热相关工作，Email：277184942@qq.com。