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文檔簡介
1、<p> EH4大地電磁測深法在隧道勘察中應用及所受干擾的分析</p><p> 摘要:將EH4高頻大地電磁測深法應用于長大深埋隧道------洞灣隧道巖溶、構造、巖性的勘察,通過與鉆探及地質(zhì)調(diào)繪的資料對比,EH4音頻大地電磁法可以在宏觀上查明深埋隧道巖溶發(fā)育狀況、地質(zhì)構造及地層巖性分界,為鉆孔布置及隧道設計、施工提供地球物理依據(jù),在長大深埋隧道勘察中能達到較為理想的效果。但影響勘察結果的外部因素很
2、多,深埋中的鋼筋支護對勘察效果影響十分明顯。 </p><p> 關鍵詞:EH4高頻大地電磁測深;深埋隧道;洞灣隧道;干擾影響 </p><p> 中圖分類號:U45 文獻標識碼:A 文章編號: </p><p> 近年來,公路建設中面對越來越多的深長大深埋隧道,長大深埋隧道有平面里程長、深埋大、地質(zhì)構造復雜等特點,而且地形深切陡峭,鉆探工作難以充分展開,一直
3、是公路工程地質(zhì)勘察與設計中的難點。就地球物理勘探方法而言,重磁法在研究巖溶發(fā)育狀況、基底的起伏和埋深、劃分構造單元、確定深大斷裂方面具備明顯的優(yōu)勢[1][2],大地電磁法是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一種電磁法勘探技術,具有工作效率高、探測深度大、分辨率高、受地形影響相對較小、抗干擾性能強、成本較低廉等特點,在100—1 500 m深度范圍內(nèi),能查明電阻率差異較大的高、低阻不均勻體[3][4]。 </p><p>
4、 洞灣隧道是赤水至望謨(仁懷至赤水段)高速公路中的一座長隧道,隧道正在開挖施工,在施工過程中發(fā)現(xiàn)在右洞(里程YK66+488左右)的右側壁出現(xiàn)大溶洞,寬約10~20m,高約30~40m,往小里程頃斜,與右洞軸線小角度相交,本次勘查的重點在于探明洞灣隧道未開挖段的巖溶發(fā)育狀況,通過采用EH4高頻大地電磁測深法,取得了較為顯著的效果,對后期的隧道開挖工作有較大的指導意義。 </p><p> 1、EH-4工作方法及
5、原理 </p><p> 本次勘測是采用上世紀九十年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合推出的新一代電磁儀EH-4型StrataGem電磁系統(tǒng),能觀測到離地表幾m至1000m內(nèi)的地質(zhì)斷面的電性變化信息,基于對斷面電性信息的分析研究,可以應用于地下水研究、環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)與地熱勘察,以及工程地質(zhì)調(diào)查等。該系統(tǒng)適用于各種不同的地質(zhì)條件和比較惡劣的野外環(huán)境。其方法原理與傳統(tǒng)的MT法一樣,它是利用宇宙中的太陽
6、風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號作為激發(fā)場源,又稱一次場,該一次場是平面電磁波,垂直入射到大地介質(zhì)中,由電磁場理論可知,大地介質(zhì)中將會產(chǎn)生感應電磁場,此感應電磁場與一次場是同頻率的,引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下,波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值。 </p><p><b> (1) </b></p><p><b> (2)
7、</b></p><p><b> (3) </b></p><p> 式中f是頻率,單位是Hz,ρ是電阻率(),E是電場強度(mv/km),H是磁場強度(nT),φE是電場相位,φH是磁場相位,單位是mrad。必須提出的是,此時的E與H,應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場,簡稱總場。在電磁理論中,把電磁場(E、H)在大地中傳播時,其振幅衰
8、減到初始值1/e時的深度,定義為穿透深度或趨膚深度(δ) </p><p> 由(4)式可知,趨膚深度(δ)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)變化,測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說,頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征,頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此,在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息,并由此計算出視電阻率和相位。可確定出大地的地電特征和地下構造,這就是EH-4觀測系統(tǒng)的簡單的方法原理。 <
9、;/p><p> 一般情況下,大地是非均勻的,波阻抗是空間坐標的函數(shù),此時必須用張量阻抗來描述。此外,大地電性分布的不均勻性,會引起電場的梯度變化,由此又產(chǎn)生磁場的垂直分量。進一步的討論將會涉及較深的電磁場理論和張量分析等內(nèi)容,其知識已超出本課題的研究內(nèi)容。在解決一般性的工程地質(zhì)調(diào)查中,作標量或張量觀測即可。 </p><p> StrataGem電磁系統(tǒng)野外工作有兩種工作方式:一種是單點
10、測深,另一種是連續(xù)剖面測深,選用何種方式由研究任務確定。該系統(tǒng)通常采用天然場源,只有在天然場信號很弱或者根本沒有信號的頻點上,才使用人工場源,用以改進數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高數(shù)據(jù)信噪比。StrataGem電磁系統(tǒng)可以在0.1Hz至100KHz的寬頻范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù),為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量與工作實效,上述頻帶又分成四個頻組: </p><p> 一頻組:0.1Hz-1KHz </p><p> 二頻組:10
11、Hz-1KHz </p><p> 三頻組:300Hz-3KHz </p><p> 四頻組:1.5KHz-99KHz </p><p> 具體觀測中使用哪幾個頻率組,可視情況靈活掌握。在野外能實時獲得的Hy、Ex、Hx、Ey振幅,ΦHy、ΦEx、ΦHx、ΦEy相位,一維反演和二維電阻率成象結果。在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理后,可獲得二維正、反演結果等。 </p>
12、;<p> 2、EH-4系統(tǒng)野外工作方法與技術 </p><p> (1)觀測點的布置:通過GPS進行定點,要求點位差小于0.5m,方位差小于0.2°; </p><p> ?。?)在開展工作的前一天一定要做平行試驗,檢測儀器是否工作正常,要求兩個磁棒相隔2~3m,平行放在地面,兩個電偶極子也要平行。觀測電場、磁場通道的時間序列信號; </p>&
13、lt;p> ?。?)電極的布置技術: 如圖1所示,我們這次工作共用四個電極,每兩個電極組成一個電偶極子,為了便于對比監(jiān)視電場信號,其長度等于點距,與測線方向一致的電偶極子叫做X-Dipole;與測線方向垂直的電偶極子叫做Y-Dipole。為了保證Y-Dipole電偶極子的方向與X-Dipole的相互垂直,用森林羅盤儀確定方向,誤差;電偶極子的長度用測繩測量,誤差在m; </p><p> ?。?)磁棒布置技
14、術:磁棒離前置放大器應大于5m,為了消除人文干擾兩個磁棒要埋在地下至少5cm,用地質(zhì)羅盤定方向使其相互垂直,誤差控制在,且水平。所有的工作人員要離開磁棒至少10m,盡量選擇遠離房屋、電纜、大樹的地方布置磁棒。 </p><p> ?。?)AFE(前置放大器)布置技術:電、磁道前置放大器放在測量點上,即兩個電偶極子的中心,為了保護電、磁道前置放大器應首先接地,遠離磁棒至少10m; </p><p
15、> ?。?)主機布置技術:主機要放置在遠離AFE(前置放大器)至少20m的一個平臺上,而且操作員最好能看到AFE和磁棒的布置。 </p><p> ?。?)資料數(shù)據(jù)處理方法: </p><p> 野外采集的時間序列的數(shù)據(jù)進行預處理后,再現(xiàn)場進行FFT變換,獲得電場和磁場虛實分量和相位數(shù)據(jù)。并且,進行現(xiàn)場一維BOSTIC反演;在一維反演的基礎上,利用EH-4系統(tǒng)自帶的二維成像軟件進行
16、快速自動二維電磁成像。為了提高分辨率,二維電磁成像的系數(shù)選為0.5。同時,選擇較小的像素(橫向和縱向都為93),使反演數(shù)據(jù)得到加密,從而突出相對微弱低阻異常。 </p><p> 3、洞灣隧道的物探勘察 </p><p><b> 3.1隧址概況 </b></p><p> 在建的洞灣隧道位于習水縣回龍鎮(zhèn)洞灣村境內(nèi),從村莊北緣穿過,隧道進
17、口位于梨子坳南西側400m處封巖溝西坡下部,洞身穿越區(qū)內(nèi)南北向大營上山脈,深大溝谷發(fā)育,地形高差較大,隧道出口位于下院子巖東側,距離村莊約200m,回龍鎮(zhèn)~習水縣城鄉(xiāng)村公路從隧道洞身上方經(jīng)過,交通較不方便。隧道走向呈近東西向,稍呈“S”形線展布。隧道采用分離式,其中:左洞起訖樁號ZK66+164~ZK68+290,總長2126m;右洞起訖樁號YK66+205~YK68+290,總長2085m。隧道凈空10.25×5.0m,洞門
18、型式仁懷端為端墻式,赤水端為削竹式,采用電光照明,機械通風。 </p><p> 在建隧道路面標高:進口處左線1031.250m,右線1031.269m;出口處左線1077.922m,右線1074.529m。路面縱向坡度左線+2.4213%~2.1%,右線+2.434%。隧道最大埋深約310m。 </p><p> 目前隧道分別從進、出口雙向施工,進口段左線已施工至ZK66+710(2
19、011年12月20日)、右線已施工至YK66+515(2011年12月20日);出口段左線已施工至ZK67+944(2011年12月21日)、右線已施工至YK67+930(2011年12月21日)。 </p><p> 3.2地球物理特征 </p><p> 在一般情況下存在斷層、巖性發(fā)生變化、巖溶、節(jié)理發(fā)育、巖石破碎含水時視電阻率會呈現(xiàn)相對低阻狀態(tài)、一些空腔型溶洞在電性上會表現(xiàn)為高阻
20、反應,一些物探異常區(qū)域以此來判定,具體情況應結合實際地質(zhì)測繪資料來進行判斷。 </p><p> 3.3測線布置及數(shù)據(jù)采集 </p><p> 根據(jù)掌握的該區(qū)地質(zhì)資料和物探工作的技術要求,物探測線沿隧道線路貫通,在地表沿推薦線方案左、右線隧道軸線布置,點距采用20m,異常地段復核調(diào)查。 </p><p> 室內(nèi)資料處理與解釋 </p><p
21、> 3.4.1資料成果 </p><p> 資料按前述方法進行處理,用相關軟件進行反演成圖(圖1、2),再參考地質(zhì)資料進行解釋,具體解釋結果如下。 </p><p> 3.4.2 資料解釋 </p><p><b> ?。?)巖性解譯 </b></p><p> 隧道穿越的地層比較復雜,隧道區(qū)地層巖性由新至
22、老為第四系土層(Qdl+el)和志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)泥巖、奧陶系中統(tǒng)~上統(tǒng)(O2~3)灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)灰?guī)r夾泥巖、頁巖組成。 </p><p><b> ?。?)解譯成果 </b></p><p> 左洞物探成果解釋:根據(jù)ZK66+600-ZK67+540段EH-4大地電磁測深成果圖,如圖2分析可知,左洞ZK66+750之前受地下施工的影響較
23、大,地層電性發(fā)生變化。 </p><p> 整條測線于隧道洞身附近發(fā)現(xiàn)5處低阻異常,4處推測為巖溶,由于其具有低阻特性,推測應為空腔型巖溶。此5處低阻異常里程分布為 </p><p> ZK66+840-ZK66+960異常梭狀封閉圈,傾向大里程分布在隧道洞身;該段還存泥巖、頁巖夾巖的可能;異常中心位置埋深約為230~250m。 </p><p> ZK67+
24、000-ZK67+050異常芽胞狀,等值線互斥,異常在隧道洞身上方;異常中心位置埋深約為130~150m。 </p><p> ZK67+120-ZK67+180異常至地表而下穿過隧道洞身,洞身附近有梭狀封閉圈;整體上呈漏斗狀,推斷與地表的落水洞是相連通的。 </p><p> ZK67+220-ZK67+280異常呈漏斗狀,穿切隧道洞身,發(fā)育溶蝕的可能性大; </p>
25、<p> ZK67+400-ZK67+470異常在隧道洞身附近呈梭狀封閉圈,結合實際地質(zhì)資料,該區(qū)域為頁巖夾層。 </p><p> 右洞物探成果解釋:根據(jù)YK66+440-YK66+630左10mEH-4大地電磁測深成果圖,如圖3分析可知,右洞左10m測線上共發(fā)現(xiàn)一處斷層或巖性分界線,地面里程為YK66+490,由小里程向大里程方向傾斜;隧道洞身附近發(fā)現(xiàn)一處異常,電阻率等值線凌亂,電阻率偏低,推測
26、為巖溶,巖石破碎、含水,里程位置為YK66+460-YK66+530。 </p><p> 根據(jù)YK66+460-YK67+600段EH-4大地電磁測深成果圖,如圖4分析可知,右洞YK66+600之前受隧道洞身影響,電性發(fā)生改變,對解譯帶來一定的影響。 </p><p> 整條測線于隧道洞身附近發(fā)現(xiàn)5低阻異常,4處推測為巖溶,由于其具有低阻特性,推測應為空腔型巖溶。此5處低阻異常里程分
27、布為: </p><p> YK66+490-YK66+570該處異常呈芽胞狀、梭狀封閉圈,推斷為巖洞。 </p><p> YK66+780-YK66+970該處可能存在裂隙,亦可能發(fā)育巖溶,異常形狀為貫穿漏斗形、封閉圈形;該段還存在泥巖、頁巖夾層的可能性。 </p><p> YK66+980-YK67+070異常呈封閉圈狀,大部在隧道洞身上方; <
28、/p><p> YK67+150-YK67+220異常位于之前提到的斷層或裂隙處,受斷層影響,該處存在巖溶的可能性大; </p><p> YK67+410-YK67+480異常呈貫穿漏斗狀,結合實際地質(zhì)資料,該區(qū)域為頁巖夾層。 </p><p> ZK66+420-ZK67+540段EH-4大地電磁測深原始圖 </p><p><b
29、> 圖 2 </b></p><p> YK66+440-YK66+630左10米EH-4大地電磁測深原始圖 </p><p><b> 圖 3 </b></p><p> YK66+460-YK67+600段EH-4大地電磁測深原始圖 </p><p><b> 圖 4 </
30、b></p><p> 本次勘察中,圖3與圖4中的兩條斷層已經(jīng)開挖,十分明顯,YK66+488的右側壁開挖出了大溶洞,圖3與圖4中已經(jīng)標明;洞灣隧道為在施工中的隧道,左右隧道鋼筋支護到了K66+495左右的地方,因此本次勘察在此采集的數(shù)據(jù)十分混亂,明顯受開挖隧道中鋼筋支護的影響,未出現(xiàn)與地質(zhì)災害相匹配的物探異常;并且YK66+440-YK66+630左10米與YK66+460-YK67+600段的數(shù)據(jù)相差
31、僅10米,卻毫無相似性,分析左右線資料,數(shù)據(jù)在K66+750左右開始逐漸正常,鋼筋支護的影響消失,因此鋼筋支護影響范圍至少有150米。 </p><p><b> 4、結束語 </b></p><p> (1) EH4電磁測深法具有工作效率高、探測深度大、分辨率高、受地形影響相對較小等特點,在100一l 000 m深度范圍內(nèi),能發(fā)現(xiàn)所有的電阻率差異較大的高、低阻不
32、均勻體,是公路長大深埋隧道勘察的一種行之有效的手段。 </p><p> ?。?) EH4電磁測深法容易受到外界電磁場的影響,比如正在施工隧道中的鋼筋支護,附近架設的高壓線等,因此施工時應盡量減少此類干擾源。 </p><p><b> 參考文獻 </b></p><p> [1]陳仲候,王興泰,杜世漢.工程與環(huán)境物探教程[M].北京:地質(zhì)
33、出版社,2005 </p><p> [2]李才明.重磁勘探教程[M].成都理工大學信息工程學院,2006.2 </p><p> [3]劉國棟.大地電磁測深研究[M].地震出版社1981.6 </p><p> [4]陳樂壽等.大地電磁測深資料處理與解釋[M].地震出版社 </p><p> [5]鐘邱平等 EH4高頻電磁測深在斷層
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