音频大地电磁法在某隧道勘察中的应用

李兆令

(山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

近几年来，我国铁路事业尤其是高速铁路飞速发展，随着我国经济总量的快速提升，铁路运输在国民经济发展中的重要性与日俱增，扮演着越来越重要的角色。于此同时，随着铁路设计标准的提升，长大深埋隧道也越来越多，由于洞身周围隐伏的溶洞、软弱层和断裂构造会对隧道开挖带来一定的安全风险，在施工前对隧道洞身一定距离内的不良地质体等进行勘察是十分必要的[1-6]。长大深埋隧道以较长设计里程、较大埋藏深度、较复杂地质结构为特征，长久以来都是铁路地质勘察领域的重点和难点。音频大地电磁法勘探深度较大、施工成本低、对低阻分辨率较高，它装备轻便，通过性好，已成为国内外用于山区长大深埋隧道勘察的主要方法。

新建池州到黄山铁路位于安徽省南部地区，线路串起多个以险著称的自然风景区，如黄山、九华山和太平湖等，是一条致力服务于旅游业的高速铁路。沿线皆为山区，其间沟壑纵横，山高沟深，地势险峻，地表水系密度大，地下暗河众多，植被繁茂，通视较差，地质情况极其复杂。全线桥隧比接近90%，其中隧道长度占线路总里程的比例超过60%，隧道的勘察工作在整个线路的勘察任务中占比极大，是一项重要且基础的工作。

1 地质与地球物理特征

1.1 地质特征

隧道里程较长，山高沟深，地势较陡，植被茂密。根据地质资料，该区岩性主要为第四系残坡积，青白口纪邓家组和铺岭组。

1.1.1 邓家组

区内主要出露上段，颜色较浅，分为三部分，下部以长石石英砂岩为主，多呈灰色或青灰色，中部以石英砂岩夹细砂岩和粉砂岩为主，多呈深灰色或灰白色，上部为韵律层，一般由长石砂岩或长石石英砂岩与石英砂岩互层构成，多呈灰白色。该段粒度由中粒向中粗粒转化，碎屑的成熟度较高，砂岩由厚层向巨厚层演变，为下段上部开始的进积层序的继续发展。

1.1.2 铺岭组

铺岭组为一套基性火山岩系，在区内多呈灰紫色和灰绿色，杏仁状、气孔状发育[7-8]。该组发育在邓家期之后，下部为邓家期形成的邓家组的稳定板岩，二者为平行不整合接触。它是在水体相对较浅的滨海带环境中以岩浆为主溢流喷发的产物，以钙质碱质岩石为主，主要岩性为橄榄玄武岩、绿帘石化阳起石化流状玄武岩、杏仁状玄武岩、安山玄武岩和凝灰岩、中酸性火山灰层状凝灰岩。

1.1.3 构造

工作区内发育走向以近EW--NE向为主的断层，断层倾向NE或NW，断面陡倾。

1.2 地球物理特征

物探勘察采用音频大地电磁测深法。岩石的电阻率主要与其自身结构、矿物成分、破碎程度及地层富水情况有关。其中，岩石自身结构和矿物成分对电阻率起着基础作用，它们使岩石电阻率的变化保持在一定范围之内，由于不同种类岩石的结构和矿物成分不同，故电阻率会产生一定差异。对于同种岩石来说，当岩层受到破坏，岩石发生破碎或裂隙时，地下水会渗入，导致电阻率降低，降低幅度与岩石破碎程度和富水情况有关。通过研究岩石或地层的电性分布特征可以大致推断地下地质体的产状特征、空间形态等，再结合各岩性视电阻率数值区间，可以对地质体作出定性地判断。综合直流电测深对称四极装置在岩石露头测定结果和工作区地球物理反演结果，得出各类岩石的电阻率值(表1)。

表1 各类岩石电阻率统计 ρ(Ω·m)

通过工区各类岩石电阻率统计表可以得到三个结论：

(1)区内不同种类岩石之间电阻率差异明显。区内岩性主要以玄武质安山质凝灰岩和石英砂岩为主，对于完整岩石来说，玄武质安山质凝灰岩在露头测定的电阻率在1420～6710Ω·m之间，反演电阻率大部分在1500～5000Ω·m之间，石英砂岩在露头测定的电阻率在1920～12450Ω·m之间，反演电阻率大部分在2000～10000Ω·m之间，二者差异明显。

(2)同种岩性之间完整或破碎性不同，电阻率也不同。以玄武质安山质凝灰岩为例，较完整岩石在露头测定的电阻率在1420～6710Ω·m之间，反演电阻率基本在1500～5000Ω·m之间，较破碎岩石在露头测定的电阻率在430～1370Ω·m之间，反演电阻率多在500～1500Ω·m之间，电阻率变化幅度随着岩石破碎程度的不同而不同。

(3)断层破碎带电阻率较低。从表1可知，断层破碎带在露头测定的电阻率在160～1340Ω·m之间，反演电阻率多在500～1500Ω·m之间，与较破碎的玄武质安山质凝灰岩相当，明显低于石英砂岩。

综上所述，本区不同岩性、构造断裂带之间电阻率差异明显，同种岩性之间随着岩石完整或破碎程度的不同视电阻率也有着较大差异，为开展音频大地电磁法勘探提供了较好的地球物理前提。

2 主要方法技术

2.1 方法原理

音频大地电磁法场源与大地电磁测深一致，均为天然交变电磁场。音频大地电磁观测的是天然变化的电磁场的时间域序列信号，并通过换算将其转变为频率域数据，提取视电阻率曲线与相位曲线特征信息，再通过反演计算，得到地层的电阻率及厚度值的信息，从而达到研究地下电性分布规律、探测地层岩性分布和地质结构等目的。鉴于电磁场存在的趋肤效应，不同深度地质体对不同周期电磁波的响应也不同[2,9-18]。隧道工程进行物探勘察的主要目的一般是研究隧道洞身一定范围内的地质情况，所以测量的时候多采用较高频率进行，大多在1Hz至10000Hz之间，此频率区间对浅部地层具有较高的分辨率，且受高阻层屏蔽影响相对较小，对低阻体探测效果较好。

2.2 测线布置

音频大地电磁工作测线布置里程为DK93+673～DK102+659段，点距30m，异常地段减小点距，增加了测点个数。AMT测点的定位采用手持定位导航仪进行，仪器型号为Etrex 309x，该仪器整合了GPS和北斗导航系统，精度较高。测点尽可能选在开阔且平坦的地段，对于高差较大的沟底或山顶增加地形点，对地表局部存在的电性不均匀体进行处理，处理不了的在布极时尽可能避开；测点选择时近可能避开电磁干扰源，如建筑、高压线、铁架等，并将干扰源的坐标记在记录本上。

2.3 工作方法

数据采集使用北美凤凰地球物理有限公司生产的V8工作站进行。该系统具有抗干扰能力较强，数据采集稳定的特点。每个测点的观测时间都在20min以上，当环境干扰较强时或其资料不能保证达到勘探深度时，延长观测时间。

野外工作严格按照《铁路工程物理勘探规范》TB10013-2010的有关规定进行，开工前对接收机、磁棒进行了标定，确保仪器合格稳定。依据要求的勘探目标深度选取合适的频率范围，本次仪器选用的V8工作站最高频率可达到250kHz。最低频率的选取必须保证能满足设计的最小探测深度的要求，一般来说，不同工作区最低频率并不一样，与大地电阻率有关。以前期AMT探测视电阻率测深曲线为基础，统计高频段(近地表)电阻率。结果表明，工作区近地表电阻率一般在1000Ω·m左右，按隧道洞深以下50m探测深度的要求，最低频率为10Hz。因此，仪器性能足以满足勘探工作需求。

数据采集时采用不极化电极测量，共四个，两两配对组成电偶极子MN。MN长度20m。两对MN测量电位差并计算Ex,Ey(电场水平分量)。数据采集装置以“十”字形装置为主，在局部地形条件不允许，无法布设“十”字形的情况下，依据实地情况选取另外两种装置。其野外测量布置如图1。

图1 AMT野外工作布置示意图

磁棒埋设：两水平磁探头Hx和Hy放置在相对象限内，最小间距20m，放置时使用水平尺校正，以保证其绝对水平，用罗盘打方向以保证二者相互垂直。探头都埋入坑内，入土深度均在35cm以上，用土埋好压实。为了防止探头与仪器间信号连接线的晃动对数据采集造成的干扰，放置信号连接线时近可能避开杂草和矮树，每隔一定距离用土压实，保证连接线全都贴地。为降低两线的互相影响，放置时信号线均隔开了一定距离。

2.4 资料处理

资料的预处理采用与V8工作系统配套的SSMT2000软件进行，仔细检查各个测点，对各个测点设置正确的观测系统，检查电极的位置是否正确，测点高程是否吻合，电场和磁场的噪声是否在合理范围，修改校正磁场分量和电场水平分量可能出现的错误，确保空间属性的准确性，将各场量时间域序列的原始数据转换为各个频率的视电阻率和阻抗相位等的频率域数据。

利用SSMT2000软件计算得到阻抗文件，然后对其进行格式转换，再采用MTEDITOR软件进行资料的后续精细化处理工作。在资料处理过程中采用合理的手段，如空间滤波法、曲线平移法，阻抗相位换算法、视电阻率导数法等进行了静校正，尽量避免了静态效应形成的所谓“假异常”。处理完成后，输出EDI格式文件，使用WINGLINK软件进行视电阻率二维反演。

3 资料解释及结果

经过精细处理后，可以反演出测区的视电阻率值，将其绘制成图，得到测区反演视电阻率拟断面图(图3、图4)，这是音频大地电磁资料解释的基本图件，也是进行物探勘察成果推断的主要依据。在解释过程中必须要综合考虑物探和地质两方面因素，物探资料的分析主要从低电阻率阻异常形态、视电阻率背景值水平、背景值与低阻异常差异等三个方面考虑，结合隧道洞身所处地段所对应的地层、构造等地质资料，分析物探纵断面电性与地质体的对应关系，从而对地层分布、构造发育，岩石完整性，地层含水情况等作出合理地推断解释[2]。

图3 隧道反演视电阻率拟断面图

1—风化层界线；2—岩石完整性界线；3—断层；4—隧道洞身；5—邓家组上段；6—铺岭组；7—围岩等级图4 隧道推断成果图

3.1 岩性划分

工作区主要岩性有玄武质安山质凝灰岩和石英砂岩，根据地质调查所确立的地层关系及电性特征分析如下：

在反演电阻率拟断面图上部，存在一大致平行地形线的高、低阻分布不均匀带，对应了风化层的电性特征，推断为地表风化层或残坡积。

在反演电阻率断面图下部电阻率较上部明显抬升，其中洞身里程DK93+673～DK94+485段电阻率整体较低，对应了玄武质安山质凝灰岩的电性特征，推断此段下伏地层为铺岭组玄武质安山质凝灰岩；其中DK94+385～DK94+485段视电阻率较低，地表局部可见构造角砾岩、断层泥等，推断此处有断层存在，倾向NNE，倾角较大。

洞身里程DK94+485～DK99+692段电阻率整体较高，对应了石英砂岩的电性特征，推断此段下伏地层为邓家组石英砂岩。

3.2 岩体完整性划分

根据表1，结合地层岩性等因素，对岩体的完整性进行划分。对于玄武质安山质凝灰岩，一般把视电阻率值大于1500Ω·m同时高阻区域较大、视电阻率等值线分布相对比较均匀的地段划分为较完整岩体，1500Ω·m以下为较破碎岩体；对于石英砂岩，一般把视电阻率值超过2000Ω·m同时高阻区域较大、视电阻率等值线分布相对比较均匀的地段划分为较完整岩体，2000Ω·m以下为较破碎岩体。具体划分如下：

(1)洞身里程DK93+673～DK94+485段

该段地层为玄武质安山质凝灰岩，剖面上部视电阻率大部分在100～500Ω·m之间，推断为地表风化层的反应，局部基岩出露，视电阻率变大；洞身里程DK93+673～DK93+982段，视电阻率值较低，ρ=500～1500Ω·m，分析该段岩体破碎；洞身里程DK93+982～DK94+382段，ρ=1500～5000Ω·m，推断该段岩体较完整；洞身里程DK94+382～DK94+485段电阻率值较低，ρ=500～1500Ω·m，推断该段岩体较破碎，发育断层。

(2)洞身里程DK94+485～DK99+692段

该段地层为石英砂岩，剖面上部存在一大致平行地形线的高、低阻分布不均匀带，低阻主要为地表风化层的反应，高阻推断为局部基岩出露所致；洞身里程DK94+485～DK95+483段视电阻率值较低，ρ=1000～2000Ω·m，推断该段岩体较破碎且节理裂隙发育；洞身里程DK95+483～DK99+012段视电阻率值较高，ρ=2000～10000Ω·m，推断该段岩体较完整；洞身里程DK99+012～DK99+391段视电阻率较低，ρ=1000～2000Ω·m，推断该段岩体较破碎且节理裂隙发育；洞身里程DK99+391～DK99+692段视电阻率值较高，ρ=2000～10000Ω·m，推断该段岩体较完整。

3.3 围岩等级划分

隧道围岩分级在隧道的选线设计和施工开挖中都起着基础作用，它是隧道及其他地下工程技术应用中的一个关键节点，合理的对围岩进行分级可以为隧道的顺利施工提供可靠的安全保障。虽然物探勘察存在多解性的问题，而且准确率也有待提高，但作为一种前期的辅助手段，在围岩等级的确定中仍然扮演着重要角色，也是音频大地电磁测深的目的之一[19-20]。根据隧道洞身视电阻率特征，对隧道围岩共分为3级(表2)。

表2 围岩分级

4 结论

(1)利用音频大地电磁法基本查明了隧道沿线地层分布情况及断层等一些不良地质体特征。洞身里程DK93+673～DK94+485段为铺岭组玄武质安山质凝灰岩，洞身里程DK94+485～DK99+692段为邓家组石英砂岩，其中DK94+385～DK94+485段有断层发育，倾向NNE，倾角较大，后经钻探验证，与物探推断成果基本吻合。在断裂构造发育地段施工时，应做好隧道洞身支护的加固工作，预防一系列地质灾害(如塌方、涌水)的发生。

(2)依据音频大地电磁测深资料，对岩体的完整性进行了评价，大部分地段岩体比较完整，局部较破碎，节理裂隙发育。将隧道围岩划分为3级，为后续的隧道施工提供了良好的参考依据。

(3)隧道沿线山高沟深，地形艰险，是一条地质、地貌特征非常复杂的深埋长大隧道。正是借助了音频大地电磁法探测深度大、装备轻便，通过性好的特点，该隧道的物探勘察工作才得以又快又好地圆满完成。物探工作野外数据采集精度较高，数据处理方法得当，推断成果与钻探结果吻合较好，为今后类似工作起到了一定的借鉴作用和参考价值。