大地電磁法與地質(zhì)鉆孔法在鐵路隧道勘察中的對比分析

王燦為　馮彥謙

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300251)

在鐵路隧道勘察中，長大隧道越來越多，并且多分布在植被茂密區(qū)、密林區(qū)，地質(zhì)鉆探很難到達，有限的地質(zhì)鉆孔對于整個隧道構造、地下水富集程度，以及采空、巖溶等復雜的地質(zhì)情況難以摸清，必要的物探工作顯得尤為重要。大地電磁采集儀器具有輕便、低功耗、多模式作業(yè)的特點，是專門為復雜地質(zhì)、地形條件而研制的地球物理野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可為地質(zhì)鉆孔的布設提供指導，優(yōu)化設計，為后期地質(zhì)施工配合提供圍巖分級設計依據(jù)。

1　原理

人工源大地電磁法(GDP32)法是20世紀80年代末興起的一種地球物理新技術，它是針對解決大地電磁法場源的隨機性強和信號微弱而發(fā)展成的一種人工源頻率域電磁測深方法(CSAMT)。CSAMT通過分析地面或井中觀測到的，由人工可控制電磁波信號在地球介質(zhì)中激發(fā)的電磁波場數(shù)據(jù)，達到勘探地球內(nèi)部導電性結(jié)構的目的，其工作頻率一般從零點幾赫茲到上萬赫茲，勘探深度可從地表至地下1 500 m左右。該方法使用功能強大的人工源信號源，與MT相比，更能壓制干擾，采集到高品質(zhì)數(shù)據(jù)。

基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出的水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，I為供電電流強度；AB為供電偶極長度；r為場源到接收點之間的距離。

將(1)式沿x方向的電場(Ex)與(5)式沿y方向的磁場(Hy)相比，并經(jīng)過運算，就可獲得地下視電阻率(ρs)公式

(7)

式中f代表頻率。由(7)式可見，只要在地面上能觀測到兩個正交的水平電磁場(Ex，Hy)，就可獲得地下的視電阻率ρs，有人也稱卡尼亞電阻率。

又根據(jù)電磁波的趨膚效應理論，導出探測深度公式

(8)

式中H代表探測深度，ρ代表電阻率，f代表頻率。

從(8)式可見，當?shù)乇黼娮杪使潭〞r，電磁波的傳播深度(或探測深度)與頻率成反比。高頻時，探測深度淺，低頻時，探測深度深，可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達到頻率測深的目的。

2　工程實例分析

某隧道全長3 030 m，最大埋深約430 m。區(qū)內(nèi)存在大量特殊地質(zhì)問題，人文噪聲較強。測區(qū)植被發(fā)育，地形屬于低山、丘陵地貌，沿隧道線位部分地段起伏較大，地形陡峭，地表大多被粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、碎石類土、腐殖質(zhì)等第四系所覆蓋；根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料，該隧道巖性分別為白堊紀寨下組上段的凝灰?guī)r、侏羅系漳平組下段的粉砂巖夾頁巖、志留系花崗巖、白堊系沙縣組的鈣質(zhì)或泥質(zhì)粉砂巖，以及變粒巖等。

野外工作中沿線路中線布置測線，目的是查明隧道洞身范圍內(nèi)的巖性、構造、地下水及其他不良地質(zhì)情況。使用從美國引進的GDP32-Ⅱ多功能電法儀。在工作開始之前，對GDP32-Ⅱ接收機進行標定，并對標定數(shù)據(jù)進行核對，確認采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；對發(fā)射機經(jīng)過多次嚴格測試，以保證其發(fā)射電流穩(wěn)定可靠。

根據(jù)隧道線路范圍，考慮到隧道較長，布置了2個發(fā)射源。發(fā)射源采用電偶極，每個源的收發(fā)距均大于6 500 m。在正式測量之前對每個源位置進行實驗，確保采集信號的有效性。

野外工作中一個排列為7個電道，一個磁道，磁道布置在7個電道的中間位置。遇懸崖等特殊情況時減少電道。電場采集使用氯化鉛不極化電極，可以有效地降低極差，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。電極均加水和泥埋好，接地電阻小于2 kΩ。

發(fā)射頻率范圍為32～8 192 Hz，測點點距為25 m，供電偶極AB距為1.0 km，最大發(fā)射電流為9 A。經(jīng)試驗，遠區(qū)場數(shù)據(jù)從256 Hz開始，工完成有效測點412個，檢測點21個，占總工作量的5.1%。

由于隧道較長，我們選取CK100+000～+350段以及CK102+425～+725段大地電磁勘察成果進行說明，CK100+000～+350段大地電磁勘察成果見圖1。從大地電磁成果可以看出，該段洞身(白線部分)電阻率以高阻為主，推斷洞身在志留系花崗巖地層中穿過，巖石較完整，局部裂隙發(fā)育，含水。隨后在CK100+270左12 m布設一鉆孔1，進行了鉆探驗證，鉆探分層見圖1，巖芯照片見圖2。

圖1　CK100+000～+350段大地電磁勘察成果及鉆探分層

圖2　CK100+270左12 m鉆孔巖芯照片

大地電磁勘察成果揭示：該孔位50 m以上呈現(xiàn)中阻值，50 m以后為高阻值，巖體完整。

鉆探揭示：50 m以下除少數(shù)段巖芯呈碎塊狀外，大多較完整，巖質(zhì)堅硬。

大地電磁成果宏觀描述了巖體的完整性及富水情況，為鉆孔布設提供了指導。鉆探成果驗證了大地電磁成果的可靠性，通過大地電磁成果和鉆探成果對比，兩者揭示的巖性情況較吻合。

CK102+425～+725段大地電磁勘察成果見圖3，在CK102+661.5 m左8 m里程段布設鉆孔2，鉆探分層見圖3。

大地電磁勘察成果揭示：該段170 m以上電阻率以低阻為主，推斷巖石破碎、含水，圍巖較差，在CK102+700以及CK102+475里程處電阻率較低，等值線橫向被連續(xù)切斷，存在較大規(guī)模的直立狀低阻體，形成明顯的電性分界，推斷存在斷層，記為F2、F3。170 m以下電阻率較高，推斷巖石較完整。

鉆探揭示：覆蓋層厚度為18.4 m，并且18.4～28.3 m為強風化的變粒巖。28.3～169.7 m變粒巖綠

圖3　CK102+425～+725段大地電磁勘察成果及鉆探分層

簾石化較嚴重，巖質(zhì)軟，疏松多孔，巖石局部較完整；169.7～170.05 m為斷層泥，軟質(zhì)巖石，紫紅色，主要成分為透鏡狀變粒巖巖屑與片狀鐵泥質(zhì)，弱風化，質(zhì)軟，易崩解，手可掰開、捏碎。170～245 m巖石為變粒巖，主要礦物為石英，長石，云母，綠泥石等，直徑0.1～0.5 mm，細粒變晶結(jié)構，塊狀構造，弱風化，巖質(zhì)堅硬，錘擊聲脆，小錘不易擊碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整。

3　結(jié)論

170 m以下鉆探成果驗證了大地電磁成果的準確性。170 m以上大地電磁成果基本以低阻顯示，對巖石完整性只能進行粗略刻畫，精度略差。169.7～170.05 m鉆探揭示為斷層泥，大地電磁成果由于受到靜態(tài)效應等條件的影響，未能準確給出，該資料應進行復解，重新劃定斷層F2的位置。

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