高密度電法及音頻大地電磁法在公路隧道勘察中的適用性分析及應用

羅 術，彭 勇，劉陽飛，段明杰

（云南省交通規劃設計研究院，云南昆明650041）

1 概述

在國民經濟持續平穩增長的今天，交通運輸工程的發展起到了極大推動作用。我國國土中，山地和高原的面積約占陸地總面積的60%，隧道建設在交通工程中是避免不了的，隨著隧道施工技術的不斷發展，深埋、超特長隧道的建設越來越常見，建設速度也在不斷加快，且面臨的地質條件越加復雜[1]。這就要求我們在隧道開挖之前盡量做好勘察設計工作，為隧道施工提供充足、可靠的參數指導和技術保障。

地球物理勘探作為一種間接的勘探方法，它具有勘探成本低、工作效率高、分辨率較高、多信息等優點，因而在隧道工程勘察中應用極其普遍[2]。眾所周知，物探具有多解性，每一種物探方法有其適應性和局限性，為了提高勘探的準確性，首先應結合勘探任務的地球物理特征，根據各種物探方法的適用性來選擇使用，必要時還應有針對性地選取幾種物探方法組合使用，互相驗證，互為補充，最大限度地消除多解性，提高勘探精度[3-4]。

2 隧道工程中幾種常用的地面物探方法

隧道工程技術的不斷發展，促使工程物探技術不斷革新，其在隧道工程勘察中的應用也在不斷的成熟與完善。基于隧道工程地質勘察的主要目的和建設環境，物探技術的運用主要集中于電法勘探和地震勘探，然而地震勘探由于目前人工震源的限制，運用的不夠廣泛，以電法勘探為主，具有代表性的方法包括高密度電阻率法和大地電磁法。

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法基于勘探目標體與地下介質間存在電性差異為前提，測量前在地表布設若干等間距（等斜距）電極，布設的電極既可作供電使用，也可作測量使用。測量時經由主機選擇供電電極和測量電極的組合方式（即裝置排列方式），在程控式多路電極轉換器的控制作用下，通過供電電極向地下供入直流電，使之在地下形成穩定的直流電場，同時利用測量電極觀測地下電場的分布特征及變化規律，包括穩定電流場I和兩點間的電位差ΔU，就能得到地下相應點的視電阻率ρs，其計算公式如式（1）所示：

式中：K——測量系統的裝置系數。

采集完成后，再利用專門的數據處理軟件對所測得的電場信息經過進行處理，得到勘探線位下方一定深度范圍內比較直觀的地電剖面信息，結合電法勘探原理及相關地質知識進行分析、解譯?？膳袛嗫碧狡拭娣秶牡刭|構造、地層巖性特征、不良地質體特性以及隱伏礦產等[5]，是解決工程地質及淺部礦產問題非常普遍而實用的地球物理勘探方法。

2.2 大地電磁法

大地電磁測深的基本原理基于電磁波的趨膚效應，即是電磁波在地下介質傳播時，不同頻率的波對應不同趨膚深度。電磁波在介質中傳播能量會隨著傳播距離的增大而衰減，公認的，把電磁波在地下介質中傳播時能量（振幅）衰減到原波能量1/e倍時的傳播深度定義為趨膚深度δ(單位:m)：

式中：ρ——地下介質的電阻率,Ω·m；

f——電磁場諧變的頻率,Hz。

可以看出，當地下介質的電阻率值趨于穩定時，勘探的趨膚深度與電磁波的頻率呈負相關，電磁波的高頻成分主要反映了淺部介質的地電信息，低頻成分主要反映淺部至深部介質的綜合地電信息。基于此理論，在勘探時采用專門的儀器設備，根據勘探目標體的埋置深度，采集一定頻率范圍內[根據式（2）可大致推算出滿足勘探要求的最低頻率值]的電磁場時間序列，然后利用相關的電磁信息數據處理方法和軟件進行處理，能夠獲得一定深度范圍內的地下介質電阻率信息，參照電磁勘探正演模擬所建立的各種地質體的電磁相應的特性，結合相應的地質知識，以及相關的勘探工作經驗，可以對勘探剖面范圍內的地質信息做出判斷和預測[6]。

3 隧道工程地面物探方法的選擇原則

物探作為一種間接的勘探方法，它在勘探成本、工作效率、多信息等方面具有其他勘探手段不可比擬的優勢，但每種物探方法均有其特有的優點和適用性。首先應根據勘探工區的現場環境、地質及地球物理條件、勘探目的等因素，相應選擇合適的勘探方法，才能取得更好的勘探效果。

3.1 高密度電法的適用性

高密度電法勘探前提是巖礦石的電阻率差異，所以在勘探開展前要進行地質調查并進行方法試驗，充分了解工區的巖礦石電阻率差異。對于泥巖、粉砂巖地區，通常以低阻為主，高密度電法難以區分破碎帶、富水帶等。而在高阻區找低阻異常通常效果較明顯，比如灰巖中的巖溶發育區，玄武巖中的節理裂隙發育區或富水區則適用性比較好。地表接地低阻大小對高密度電法也有比較大的影響，有些地區地表碎石土為主，接地電阻通過各種方法都比較難改善，這種地方使用高密度電法容易高阻屏蔽，難以取得理想效果。

高密度電法作為常規電法勘探的主要方法之一，因其需要通過人工建立地下穩定直流電場，考慮到人工建立的電場的場強以及高阻地質體對電場強烈的阻隔作用，人工電場一般的穿透深度有限，因而高密度電阻率法的勘探深度較淺，根據眾多物探工作者的工作經驗及相關理論計算，隧道埋深一般不宜大于200m，這也是選擇應用高密度電法進行勘探應滿足的基本條件。此外，隧道長度不宜過長，一方面隧道過長需要采用滾動測量影響施工效率；另一方面在進行平距和斜距轉換的時候，隧道過長容易累積較大的誤差，斜距轉換為平距后電極位置跟實際里程容易出現較大偏差。一般2km以內地形起伏不大的隧道使用高密度電法都具有比較好勘探效率及效果。

高密度電法布設的電極一般是按照等斜距布置，而計算時均按照等平距執行，因而在地形起伏較大的地段，斜距與平距差距較大，會造成一定的誤差，影響勘探效果。雖然很多處理軟件均采用了地形修正處理，但地形起伏對理論半球形電場的畸變作用也是難以消除的。

綜上所述，對于長度不超過2km、埋深不大于200m的隧道采用高密度電法勘探適用于埋深小于等于200m的地形起伏較小的地段的高分辨率地質勘察。

3.2 大地電磁法的適用性

20世紀50年代初，L.Cagnird首次提出了基于卡尼亞電阻率的電磁法勘探理論，經過一個半世紀的發展，大地電磁法勘探已經被人類廣泛研究和應用?；谄矫娌ǖ拇蟮仉姶欧碧骄哂锌碧缴疃却螅杉ぷ黛`活、便捷，能夠進行單點測量，且不受高阻體的屏蔽作用，對低阻體的反應較靈敏等優點，特別適合地表地形起伏較大的深埋長大隧道工程的地質勘探。但一方面由于大地電磁勘探的場源都需要依靠天然場，天然場源的信號一般較為微弱，且極化方向不定，加之隨著經濟的發展，人工電磁場及其多次諧變場越來越廣而強，使得采用天然源大地電磁勘探極易受到非天然場源的噪聲干擾，這也是大地電磁勘探的一個致命弱點。另一方面，大地電磁勘探采集的都是離散頻點，不同頻率對應不同深度的地層電阻率信息，頻點越分散，得到的地層信息的分辨率越低，特別是低頻部分由于頻點分散對分辨率的影響更大，因而大地電磁的分辨率較高密度偏低，比較適合對區域性的地質體進行勘探，比如斷層、破碎帶、巖性分界線、巖溶發育區等。

綜上所述，大地電磁勘探適合一切場源干擾小的深大長埋隧道地質勘察。

4 運用實例

經濟的發展在很大程度上依賴于交通的發展，云南省地處青藏高原東南麓，地勢北高南低，高差約6663m，區內山谷縱橫，地形及地質條件極為復雜，交通工程的建設難度大大增加，要想在復雜多變的地質條件下建設高質量的交通工程，首先的任務是要弄清楚交通工程工區內的地質情況。

云南滇西某高速公路穿越新生界全新統（Qh）、上第三系（N2s），中生界白堊系下統（K1j1）、侏羅系上統（J3b）、侏羅系中統（J2h）、三疊系上統（T3m）等地層，其間還有喜山期正長斑巖、二長斑巖等侵入巖，地質條件極為復雜。為了詳細查明工區隧道地質情況，物探勘察工作采用了高密度電法儀及大地電磁測深儀等多種物探設備，對全線所有隧道結合地形及地質條件、隧道埋深、勘察目的等進行了探測。

4.1 高密度電阻率法勘察實例

該線某隧道主要穿過的地層為侏羅系上統壩注路組（J3b）紫紅色泥巖夾少量同色粉砂巖、砂巖及灰質礫巖。本次勘察的主要目的是查明第四系覆蓋層厚度、基巖強弱風化界線，以及較軟巖和較硬巖的分布區域。隧道總長約700m，最大埋深約110m，地表地形較為平緩。結合勘察目的和現場工作條件，采用了高密度電阻率法對隧道地質進行探測，沿隧道中線在地表布設了80個電極，電極距為10m。數據采集選擇溫納裝置，因為溫納裝置對高低阻巖性分界面的探測有較好的適用性[7]，采集完成后采用相應的數據處理軟件經過預處理、數據編輯、帶地形反演、設置色標和顯示參數等，成果如圖1所示。

圖1 高密度電法勘探成果圖

根據反演電阻率sufer圖，可以很清晰地界定第四節覆蓋層及強風化層與弱風化基巖的界限，同時根據電阻率值的大小可以劃分巖性。

4.2 大地電磁法勘察實例

該線某長隧道總長5300m，最大埋深570m，根據區域地質，隧道穿過的地層主要有：侏羅系中統花開左組（J2h1）：紫紅色石英砂巖、泥巖夾少量細礫巖；侏羅系上統壩注路組（J3b）：紫紅色粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖、細礫巖；白堊系上統江底河組（K2h）：灰白色石英砂巖夾紫紅色砂質、泥巖。地質條件復雜，地表植被茂密，地形起伏較大，本次勘察的主要目的是查明隧道洞身圍巖的構造界線、巖性界線、水文地質界線及巖體的完整性等工程地質條件。結合勘察目的和現場工作條件，選擇采用天然源高頻大地電磁法沿隧道右幅中線進行勘測，數據采集儀器使用美國生產的EH-4大地電磁成像系統，點距為25m。采集完成后，通過儀器自帶的處理軟件，進行數據編輯、剔除異常點、反演、Surf?er成圖等處理，得到如圖2所示成果圖（僅顯示了隧道出口段）。

根據以上成果圖，可以較為直觀地看出隧道洞身處：侏羅系中統紫紅色石英砂巖與侏羅系上統紫紅色粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖的分界線在K5+000附近；同時結合區域地質和現場地質調查，根據電阻率變化趨勢，可以推斷侏羅系上統紫紅色粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖與白堊系上統石英砂巖夾紫紅色泥巖的分界在K6+000附近，同時該處發育有一斷層。

后期在物探異常段進行鉆孔勘探，通過鉆探所揭示的地層巖性和巖體情況，與物探解譯的巖體情況基本吻合，也驗證了本次采用的物探方法在該線地質勘察中的有效性和適用性。

5 結論

（1）通過本次運用，可以看出，高密度電阻率法勘探對于劃分第四系覆蓋層厚度、基巖強弱風化界線有較高的分辨率，探測效果較好。大地電磁法勘探對于調查區域地質構造，巖性分界線有較好的適用性。

（2）物探的方法手段眾多，每種物探方法都具有其特有的優缺點和適用性，在進行物探工作前應先了解清楚工作的工作環境、地質條件及勘探目的，選擇合適的方法，以達到最優勘探效果。

圖2 EH-4大地電磁勘探成果圖

（3）物探作為間接的勘探手段，僅靠單一的勘探方法很容易受到物探資料多解性的困擾，甚至造成解譯錯誤，它需要結合地質、鉆探及多種物探方法綜合分析，才能得到更為接近真實地質情況的解譯結果。

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