eh4大地電磁測深法在隧道勘察中應用及所受干擾的分析

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