地空频率域电磁探测方法在隧道勘探中的应用

徐毅，郑国胜，朱琦，魏东旭，王贯国

地空频率域电磁探测方法在隧道勘探中的应用

徐毅，郑国胜，朱琦，魏东旭，王贯国

（山东省交通规划设计院，山东 济南 250031）

地空频率域电磁探测方式是一种大深度、快速高效、高精度的探测方法，是地球物理勘探领域的一种重要勘探方法，广泛应用于矿产资源勘查、岩土工程及水文水资源调查等领域。介绍了地空频率域电磁探测方法的仪器设备及勘探原理，并以拟建宜毕高速坪上1号隧道与坪上2号隧道为工程背景，介绍了地空频率域电磁探测技术在隧道地质异常区域勘探方面的运用，结果表明地空频率域电磁探测可以很好地识别高、低阻地质异常区域，可以为隧道工程建设提供详尽的基础资料支撑。

地空；频率域；电磁法；隧道勘探

1 引言

隧道可以有效缩短两地之间的距离，在公路建设中占有十分重要的地位。在多山地区，隧道的上覆岩层厚度可以达到上百米甚至几百米，在这种地区进行工程地质勘察，不仅需要耗费巨大的人力物力，还会对人员的生命财产安全造成威胁。在此情况下，物理探测中的快速探查和大深度探测技术显得尤为重要。地空电磁法又称为半航空电磁法，是利用地面大功率人工电磁源作为激励场源，通过空中采集磁场信号，实现对大地电性结构的快速探查[1-3]。本方法的特点将地面与空中探测联合，具有地面电磁法大功率发射和航空电磁法快速非接触式采集的双重优点，可以对地表条件复杂的区域进行大深度范围快速探测，这为崎岖山地等地面难以进入区域的隧道勘察提供了一种经济有效的手段[4-6]。

宜宾至毕节高速公路在建设过程中需要穿越多座山体，建设多个隧道，因其山体较高、地质条件复杂，造成工程地质勘察困难。利用地空频率域电磁探测方法对坪上1号隧道、坪上2号隧道两条拟建隧道进行了地空频率域电磁探测，为后期隧道建设提供基础物探资料，为类似工况的隧道工程地质勘察提供了借鉴[7-8]。

2 地空频率域电磁探测原理

2.1 测量方法和仪器

地空频率域电磁探测方法本质上属于人工场源频率域测深，通过不同频率的电磁信号探测不同深度的电性结构，最终根据电性差异确定探测区域内导水通道、煤矿采空区、大型断层破碎带等电性变化较大的地质异常。该方法总体原理如图1所示。

图1 地空频率域电磁探测方法示意图

通过采用地面长导线源向空间辐射电磁场，通过无人机搭载接收线圈采集空中磁场，发射源与测区最小距离为2～3 km，最大可探测范围3～10 km，具体受环境噪声、发射功率和地质情况等因素影响。通常导线长度为1～3 km，发射电流为20～50 A，采用伪随机波发射，一次发射覆盖多个频点，针对目标区域可加密频点，以提高纵向分辨率。飞行器采用电动六旋翼无人机，具有空性稳定可靠，飞行航迹可按照航线精确设定。线圈传感器吊载于无人机下方，与无人机中的采集装置相连，采集并存储测区上方垂直磁场，通常情况下线圈传感器高度距地面30～50 m。通过野外记录发射源位置信息、发射电流、空中传感器位置、磁场等数据，进行数据成像，可获得地下电阻率信息。该方法结合地面电磁法和航空电磁法的优势，具有发射功率大、探测效率高、分辨率高的优势，探测深度达800 m以上，特别适用于复杂地形条件下的深部探测。

2.2 磁场的分布形态及对异常体的识别能力

绝对异常（二次场）定义为存在异常体时磁场响应与均匀大地磁场响应的差值，可以用来确定磁场分量对异常的识别能力。对包含异常体的三维模型进行计算，可以分析不同磁场分量对异常的反应。地空电磁探测方法中，磁场分量对于低阻异常具有更好的识别能力。不同的磁场分量对异常反应的形态不同，幅值也不相同，X分量在幅值和相位方面对异常的反应较弱，Y分量在幅值方面反应相对明显，但是在相位方面反应较弱，Z分量在幅值和相位方面对异常均能产生明显的反应，因此在实际应用时，对于单分量采集，可以优先考虑Z分量对目标体进行识别。

3 工程概况与探测成果分析

3.1 工程概况

拟建宜宾至毕节高速公路威信至镇雄段，由于拟建隧道属构造剥蚀丘陵地貌，地形地貌起伏较大，设计采用隧道与桥梁连接的方式通过，区段内共存在8条主要隧道，均属中型隧道。本文主要选取的是位于威信县三桃乡新街村半河组的坪上隧道，隧道进出口与山间沟谷相连，切割深达100～150 m，线路经过山顶最大标高约920 m，最小标高约725 m，相对高差约195 m。隧道进口处于近东西向的深切山坡地带，地形较陡；出口处为一南北向深切河谷的西侧山坡，地形较为陡峻。隧址区内基岩为志留系下统韩家店组及龙马溪组砂岩、灰岩，进口段发育泥灰岩；第四系土层较薄，多为含砾黏土，局部为碎石土。隧址区进出口段受地形及气候影响，地表水系不发育，山间谷底仅有季节性溪流汇集；洞身地表水体不发育，多为沟谷中发育的季节性溪流，雨季多水，旱季少水甚至无水；地下水主要有第四系松散土层孔隙滞水、基岩风化裂隙水及岩溶水三种类型。

3.2 探测仪器与过程参数

探测的仪器设备主要包括发射系统，接收系统和飞行平台三部分组成，如图2所示。发射系统包含发电机、发射机、桥路、控制器和接地电极，最大功率可达1 500 V/67 A，发射频率为1～10 240 Hz，可实现单频方波、伪随机方波、时间域波形输出。接收系统采用24位AD，采样率最高可达256 000 Hz。针对地空电磁探测1 000 m范围内深度探测目标，系统频带范围0.1～10 kHz，动态范围130 dB，系统分辨率10 pT，同步精度小于200 ns。飞行平台采用六旋翼电动无人机，该平台主体为铝合金制结构，共六个动力总成，旋翼采用碳纤维材料，额定载重为10 kg，额定飞行时间为20 min。飞行控制部分采用零度（ZEROTECH）双子星控制器，基于该飞控平台可实现飞行器手动悬停、自动悬停、航

线飞行、自主巡航等飞行任务。

（a）发射系统

（b）接收系统

（c）飞行平台

3.3 探测范围

利用地空频率域电磁探测方法对宜毕高速的坪上1号隧道与坪上2号隧道进行了地空频率域电磁探测。坪上1号隧道探测范围为K7+450～K7+750；坪上2号隧道探测范围K8+180～K8+810，图3分别为2条隧道探测范围示意图。

3.4 探测成果与分析

坪上1号隧道（K7+450～K7+750）电阻率剖面成果如图4所示。从图4可以看出，坪上1号隧道（K7+450～K7+750）有两处视电阻率异常区域，分别命名为PS1-A、PS1-B异常区，其中异常区域PS1-A位于测线110～170 m，距地表70～140 m，为低阻异常区；异常区域PS1-B位于测线30～110 m，距地表240～280 m，为高阻异常区。

坪上2号隧道（K8+180～K8+810）电阻率剖面成果如图5所示。从图5可以看出，坪上2号隧道（K8+180～K8+810）有六处视电阻率异常区域，分别命名为PS2-A～PS2-F异常区，其中异常区域PS2-A位于测线110～190 m，距地表70～120 m；异常区域PS2-B位于测线210～250 m，距地表70～120 m；异常区域PS2-C位于测线280～340 m，距地表80～110 m；异常区域PS2-D位于测线460～590 m，距地表70～140 m；异常区域PS2-E位于测线210～300 m，距地表230～280 m；异常区域PS2-F位于测线390～420 m，距地表250～280 m。其中PS2-A、PS2-B、PS2-C、PS2-D属于低阻异常区域，PS2-E、PS2-F属于高阻异常区域。

（a）坪上1号隧道

（b）坪上2号隧道

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图3 坪上1、2号隧道探测范围示意图

图4 坪上1号隧道（K7+450～K7+750）电阻率剖面图

图5 坪上2号隧道（K8+180～K8+810）电阻率剖面图

4 结束语

地空频率域电磁探测方法由发射系统、接收系统和飞行平台三部分组成，具有探测深度大、快速高效、精度高的优点，可以运用在复杂地形地貌条件下，是一种地球物理勘探中横向克盲、纵向攻深的勘探方法。本文通过分析频率域地空电磁探测方法的原理，介绍了其在拟建宜毕高速坪上1号隧道与坪上2号隧道地质异常区域探测中的运用。通过对所接收数据的解译分析，为坪上1号隧道圈定出1处高阻异常区域与1处低阻异常区域，为坪上2号隧道圈定出2处高阻异常区域与4处低阻异常区域。为坪上1号隧道与坪上2号隧道的后续工程施工提供了准确、可靠的基础资料支撑，确保了隧道工程建设的安全、高效推进，同时也为类似隧道工程建设提供了一定的借鉴与参考。

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U452.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.066

2095－6835（2019）13－0150－03

徐毅（1988—），男，助理工程师，主要从事岩土工程、工程地质勘查等相关工作。

〔编辑：张思楠〕