EH4大地电磁测深法在隧道勘察中应用及所受干扰的分析

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  摘要:将EH4高频大地电磁测深法应用于长大深埋隧道------洞湾隧道岩溶、构造、岩性的勘察,通过与钻探及地质调绘的资料对比,EH4音频大地电磁法可以在宏观上查明深埋隧道岩溶发育状况、地质构造及地层岩性分界,为钻孔布置及隧道设计、施工提供地球物理依据,在长大深埋隧道勘察中能达到较为理想的效果。但影响勘察结果的外部因素很多,深埋中的钢筋支护对勘察效果影响十分明显。
  关键词:EH4高频大地电磁测深;深埋隧道;洞湾隧道;干扰影响
  中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:
  近年来,公路建设中面对越来越多的深长大深埋隧道,长大深埋隧道有平面里程长、深埋大、地质构造复杂等特点,而且地形深切陡峭,钻探工作难以充分展开,一直是公路工程地质勘察与设计中的难点。就地球物理勘探方法而言,重磁法在研究岩溶发育状况、基底的起伏和埋深、划分构造单元、确定深大断裂方面具备明显的优势[1][2],大地电磁法是近十几年来迅速发展起来的一种电磁法勘探技术,具有工作效率高、探测深度大、分辨率高、受地形影响相对较小、抗干扰性能强、成本较低廉等特点,在100—1 500 m深度范围内,能查明电阻率差异较大的高、低阻不均匀体[3][4]。
  洞湾隧道是赤水至望谟(仁怀至赤水段)高速公路中的一座长隧道,隧道正在开挖施工,在施工过程中发现在右洞(里程YK66+488左右)的右侧壁出现大溶洞,宽约10~20m,高约30~40m,往小里程顷斜,与右洞轴线小角度相交,本次勘查的重点在于探明洞湾隧道未开挖段的岩溶发育状况,通过采用EH4高频大地电磁测深法,取得了较为显著的效果,对后期的隧道开挖工作有较大的指导意义。
  1、EH-4工作方法及原理
  本次勘测是采用上世纪九十年代由美国EMI公司和Geometrics公司联合推出的新一代电磁仪EH-4型StrataGem电磁系统,能观测到离地表几m至1000m内的地质断面的电性变化信息,基于对断面电性信息的分析研究,可以应用于地下水研究、环境监测、矿产与地热勘察,以及工程地质调查等。该系统适用于各种不同的地质条件和比较恶劣的野外环境。其方法原理与传统的MT法一样,它是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作為激发场源,又称一次场,该一次场是平面电磁波,垂直入射到大地介质中,由电磁场理论可知,大地介质中将会产生感应电磁场,此感应电磁场与一次场是同频率的,引入波阻抗Z。在均匀大地和水平层状大地情况下,波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值。
  (1)
   (2)
   (3)
  式中f是频率,单位是Hz,ρ是电阻率(),E是电场强度(mv/km),H是磁场强度(nT),φE是电场相位,φH是磁场相位,单位是mrad。必须提出的是,此时的E与H,应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场,简称总场。在电磁理论中,把电磁场(E、H)在大地中传播时,其振幅衰减到初始值1/e时的深度,定义为穿透深度或趋肤深度(δ)
  
  
  
  
  
  由(4)式可知,趋肤深度(δ)将随电阻率(ρ)和频率(f)变化,测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。一般来说,频率较高的数据反映浅部的电性特征,频率较低的数据反映较深的地层特征。因此,在一个宽频带上观测电场和磁场信息,并由此计算出视电阻率和相位。可确定出大地的地电特征和地下构造,这就是EH-4观测系统的简单的方法原理。
  一般情况下,大地是非均匀的,波阻抗是空间坐标的函数,此时必须用张量阻抗来描述。此外,大地电性分布的不均匀性,会引起电场的梯度变化,由此又产生磁场的垂直分量。进一步的讨论将会涉及较深的电磁场理论和张量分析等内容,其知识已超出本课题的研究内容。在解决一般性的工程地质调查中,作标量或张量观测即可。
  StrataGem电磁系统野外工作有两种工作方式:一种是单点测深,另一种是连续剖面测深,选用何种方式由研究任务确定。该系统通常采用天然场源,只有在天然场信号很弱或者根本没有信号的频点上,才使用人工场源,用以改进数据质量,提高数据信噪比。StrataGem电磁系统可以在0.1Hz至100KHz的宽频范围内采集数据,为确保数据质量与工作实效,上述频带又分成四个频组:
  一频组:0.1Hz-1KHz
  二频组:10Hz-1KHz
  三频组:300Hz-3KHz
  四频组:1.5KHz-99KHz
  具体观测中使用哪几个频率组,可视情况灵活掌握。在野外能实时获得的Hy、Ex、Hx、Ey振幅,ΦHy、ΦEx、ΦHx、ΦEy相位,一维反演和二维电阻率成象结果。在室内数据处理后,可获得二维正、反演结果等。
  2、EH-4系统野外工作方法与技术
  (1)观测点的布置:通过GPS进行定点,要求点位差小于0.5m,方位差小于0.2°;
  (2)在开展工作的前一天一定要做平行试验,检测仪器是否工作正常,要求两个磁棒相隔2~3m,平行放在地面,两个电偶极子也要平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号;
  (3)电极的布置技术: 如图1所示,我们这次工作共用四个电极,每两个电极组成一个电偶极子,为了便于对比监视电场信号,其长度等于点距,与测线方向一致的电偶极子叫做X-Dipole;与测线方向垂直的电偶极子叫做Y-Dipole。为了保证Y-Dipole电偶极子的方向与X-Dipole的相互垂直,用森林罗盘仪确定方向,误差;电偶极子的长度用测绳测量,误差在m;
  (4)磁棒布置技术:磁棒离前置放大器应大于5m,为了消除人文干扰两个磁棒要埋在地下至少5cm,用地质罗盘定方向使其相互垂直,误差控制在,且水平。所有的工作人员要离开磁棒至少10m,尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  (5)AFE(前置放大器)布置技术:电、磁道前置放大器放在测量点上,即两个电偶极子的中心,为了保护电、磁道前置放大器应首先接地,远离磁棒至少10m;
  (6)主机布置技术:主机要放置在远离AFE(前置放大器)至少20m的一个平台上,而且操作员最好能看到AFE和磁棒的布置。
  (7)资料数据处理方法:
  野外采集的时间序列的数据进行预处理后,再现场进行FFT变换,获得电场和磁场虚实分量和相位数据。并且,进行现场一维BOSTIC反演;在一维反演的基础上,利用EH-4系统自带的二维成像软件进行快速自动二维电磁成像。为了提高分辨率,二维电磁成像的系数选为0.5。同时,选择较小的像素(横向和纵向都为93),使反演数据得到加密,从而突出相对微弱低阻异常。
  
  3、洞湾隧道的物探勘察
  3.1隧址概况
  在建的洞湾隧道位于习水县回龙镇洞湾村境内,从村庄北缘穿过,隧道进口位于梨子坳南西侧400m处封岩沟西坡下部,洞身穿越区内南北向大营上山脉,深大沟谷发育,地形高差较大,隧道出口位于下院子岩东侧,距离村庄约200m,回龙镇~习水县城乡村公路从隧道洞身上方经过,交通较不方便。隧道走向呈近东西向,稍呈“S”形线展布。隧道采用分离式,其中:左洞起讫桩号ZK66+164~ZK68+290,总长2126m;右洞起讫桩号YK66+205~YK68+290,总长2085m。隧道净空10.25×5.0m,洞门型式仁怀端为端墙式,赤水端为削竹式,采用电光照明,机械通风。
  在建隧道路面标高:进口处左线1031.250m,右线1031.269m;出口处左线1077.922m,右线1074.529m。路面纵向坡度左线+2.4213%~2.1%,右线+2.434%。隧道最大埋深约310m。
  目前隧道分别从进、出口双向施工,进口段左线已施工至ZK66+710(2011年12月20日)、右线已施工至YK66+515(2011年12月20日);出口段左线已施工至ZK67+944(2011年12月21日)、右线已施工至YK67+930(2011年12月21日)。
  3.2地球物理特征
  在一般情况下存在断层、岩性发生变化、岩溶、节理发育、岩石破碎含水时视电阻率会呈现相对低阻状态、一些空腔型溶洞在电性上会表现为高阻反应,一些物探异常区域以此来判定,具体情况应结合实际地质测绘资料来进行判断。
  3.3测线布置及数据采集
  根据掌握的该区地质资料和物探工作的技术要求,物探测线沿隧道线路贯通,在地表沿推荐线方案左、右线隧道轴线布置,点距采用20m,异常地段复核调查。
  室内资料处理与解释
  3.4.1资料成果
  资料按前述方法进行处理,用相关软件进行反演成图(图1、2),再参考地质资料进行解释,具体解释结果如下。
  3.4.2 资料解释
  (1)岩性解译
  隧道穿越的地层比较复杂,隧道区地层岩性由新至老为第四系土层(Qdl+el)和志留系下统龙马溪组(S1l)泥岩、奥陶系中统~上统(O2~3)灰岩、奥陶系下统湄潭组(O1m)灰岩夹泥岩、页岩组成。
  (2)解译成果
  左洞物探成果解释:根据ZK66+600-ZK67+540段EH-4大地电磁测深成果图,如图2分析可知,左洞ZK66+750之前受地下施工的影响较大,地层电性发生变化。
  整条测线于隧道洞身附近发现5处低阻异常,4处推测为岩溶,由于其具有低阻特性,推测应为空腔型岩溶。此5处低阻异常里程分布为
  ZK66+840-ZK66+960异常梭状封闭圈,倾向大里程分布在隧道洞身;该段还存泥岩、页岩夹岩的可能;异常中心位置埋深约为230~250m。
  ZK67+000-ZK67+050异常芽胞状,等值线互斥,异常在隧道洞身上方;异常中心位置埋深约为130~150m。
  ZK67+120-ZK67+180异常至地表而下穿过隧道洞身,洞身附近有梭状封闭圈;整体上呈漏斗状,推断与地表的落水洞是相连通的。
  ZK67+220-ZK67+280异常呈漏斗状,穿切隧道洞身,发育溶蚀的可能性大;
  ZK67+400-ZK67+470异常在隧道洞身附近呈梭状封闭圈,结合实际地质资料,该区域为页岩夹层。
  
  右洞物探成果解释:根据YK66+440-YK66+630左10mEH-4大地电磁测深成果图,如图3分析可知,右洞左10m测线上共发现一处断层或岩性分界线,地面里程为YK66+490,由小里程向大里程方向倾斜;隧道洞身附近发现一处异常,电阻率等值线凌乱,电阻率偏低,推测为岩溶,岩石破碎、含水,里程位置为YK66+460-YK66+530。
  根据YK66+460-YK67+600段EH-4大地电磁测深成果图,如图4分析可知,右洞YK66+600之前受隧道洞身影响,电性发生改变,对解译带来一定的影响。
  整条测线于隧道洞身附近发现5低阻异常,4处推测为岩溶,由于其具有低阻特性,推测应为空腔型岩溶。此5处低阻异常里程分布为:
  YK66+490-YK66+570该处异常呈芽胞状、梭状封闭圈,推断为岩洞。
  YK66+780-YK66+970该处可能存在裂隙,亦可能发育岩溶,异常形状为贯穿漏斗形、封闭圈形;该段还存在泥岩、页岩夹层的可能性。
  YK66+980-YK67+070异常呈封闭圈状,大部在隧道洞身上方;
  YK67+150-YK67+220异常位于之前提到的断层或裂隙处,受断层影响,该处存在岩溶的可能性大;
  YK67+410-YK67+480异常呈贯穿漏斗状,结合实际地质资料,该区域为页岩夹层。
  ZK66+420-ZK67+540段EH-4大地电磁测深原始图
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
   图 2
  YK66+440-YK66+630左10米EH-4大地电磁测深原始图
  
  
  
  
  
  
  
  
   图 3
  
  YK66+460-YK67+600段EH-4大地电磁测深原始图
  
  
  
  
  
  
  
  
   图 4
  
  本次勘察中,圖3与图4中的两条断层已经开挖,十分明显,YK66+488的右侧壁开挖出了大溶洞,图3与图4中已经标明;洞湾隧道为在施工中的隧道,左右隧道钢筋支护到了K66+495左右的地方,因此本次勘察在此采集的数据十分混乱,明显受开挖隧道中钢筋支护的影响,未出现与地质灾害相匹配的物探异常;并且YK66+440-YK66+630左10米与YK66+460-YK67+600段的数据相差仅10米,却毫无相似性,分析左右线资料,数据在K66+750左右开始逐渐正常,钢筋支护的影响消失,因此钢筋支护影响范围至少有150米。
  
  4、结束语
  (1) EH4电磁测深法具有工作效率高、探测深度大、分辨率高、受地形影响相对较小等特点,在100一l 000 m深度范围内,能发现所有的电阻率差异较大的高、低阻不均匀体,是公路长大深埋隧道勘察的一种行之有效的手段。
  (2) EH4电磁测深法容易受到外界电磁场的影响,比如正在施工隧道中的钢筋支护,附近架设的高压线等,因此施工时应尽量减少此类干扰源。
  
  参考文献
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