地空頻率域電磁探測方法在隧道勘探中的應用

徐毅，鄭國勝，朱琦，魏東旭，王貫國

地空頻率域電磁探測方法在隧道勘探中的應用

徐毅，鄭國勝，朱琦，魏東旭，王貫國

（山東省交通規劃設計院，山東 濟南 250031）

地空頻率域電磁探測方式是一種大深度、快速高效、高精度的探測方法，是地球物理勘探領域的一種重要勘探方法，廣泛應用于礦產資源勘查、巖土工程及水文水資源調查等領域。介紹了地空頻率域電磁探測方法的儀器設備及勘探原理，并以擬建宜畢高速坪上1號隧道與坪上2號隧道為工程背景，介紹了地空頻率域電磁探測技術在隧道地質異常區域勘探方面的運用，結果表明地空頻率域電磁探測可以很好地識別高、低阻地質異常區域，可以為隧道工程建設提供詳盡的基礎資料支撐。

地空；頻率域；電磁法；隧道勘探

1 引言

隧道可以有效縮短兩地之間的距離，在公路建設中占有十分重要的地位。在多山地區，隧道的上覆巖層厚度可以達到上百米甚至幾百米，在這種地區進行工程地質勘察，不僅需要耗費巨大的人力物力，還會對人員的生命財產安全造成威脅。在此情況下，物理探測中的快速探查和大深度探測技術顯得尤為重要。地空電磁法又稱為半航空電磁法，是利用地面大功率人工電磁源作為激勵場源，通過空中采集磁場信號，實現對大地電性結構的快速探查[1-3]。本方法的特點將地面與空中探測聯合，具有地面電磁法大功率發射和航空電磁法快速非接觸式采集的雙重優點，可以對地表條件復雜的區域進行大深度范圍快速探測，這為崎嶇山地等地面難以進入區域的隧道勘察提供了一種經濟有效的手段[4-6]。

宜賓至畢節高速公路在建設過程中需要穿越多座山體，建設多個隧道，因其山體較高、地質條件復雜，造成工程地質勘察困難。利用地空頻率域電磁探測方法對坪上1號隧道、坪上2號隧道兩條擬建隧道進行了地空頻率域電磁探測，為后期隧道建設提供基礎物探資料，為類似工況的隧道工程地質勘察提供了借鑒[7-8]。

2 地空頻率域電磁探測原理

2.1 測量方法和儀器

地空頻率域電磁探測方法本質上屬于人工場源頻率域測深，通過不同頻率的電磁信號探測不同深度的電性結構，最終根據電性差異確定探測區域內導水通道、煤礦采空區、大型斷層破碎帶等電性變化較大的地質異常。該方法總體原理如圖1所示。

圖1 地空頻率域電磁探測方法示意圖

通過采用地面長導線源向空間輻射電磁場，通過無人機搭載接收線圈采集空中磁場，發射源與測區最小距離為2～3 km，最大可探測范圍3～10 km，具體受環境噪聲、發射功率和地質情況等因素影響。通常導線長度為1～3 km，發射電流為20～50 A，采用偽隨機波發射，一次發射覆蓋多個頻點，針對目標區域可加密頻點，以提高縱向分辨率。飛行器采用電動六旋翼無人機，具有空性穩定可靠，飛行航跡可按照航線精確設定。線圈傳感器吊載于無人機下方，與無人機中的采集裝置相連，采集并存儲測區上方垂直磁場，通常情況下線圈傳感器高度距地面30～50 m。通過野外記錄發射源位置信息、發射電流、空中傳感器位置、磁場等數據，進行數據成像，可獲得地下電阻率信息。該方法結合地面電磁法和航空電磁法的優勢，具有發射功率大、探測效率高、分辨率高的優勢，探測深度達800 m以上，特別適用于復雜地形條件下的深部探測。

2.2 磁場的分布形態及對異常體的識別能力

絕對異常（二次場）定義為存在異常體時磁場響應與均勻大地磁場響應的差值，可以用來確定磁場分量對異常的識別能力。對包含異常體的三維模型進行計算，可以分析不同磁場分量對異常的反應。地空電磁探測方法中，磁場分量對于低阻異常具有更好的識別能力。不同的磁場分量對異常反應的形態不同，幅值也不相同，X分量在幅值和相位方面對異常的反應較弱，Y分量在幅值方面反應相對明顯，但是在相位方面反應較弱，Z分量在幅值和相位方面對異常均能產生明顯的反應，因此在實際應用時，對于單分量采集，可以優先考慮Z分量對目標體進行識別。

3 工程概況與探測成果分析

3.1 工程概況

擬建宜賓至畢節高速公路威信至鎮雄段，由于擬建隧道屬構造剝蝕丘陵地貌，地形地貌起伏較大，設計采用隧道與橋梁連接的方式通過，區段內共存在8條主要隧道，均屬中型隧道。本文主要選取的是位于威信縣三桃鄉新街村半河組的坪上隧道，隧道進出口與山間溝谷相連，切割深達100～150 m，線路經過山頂最大標高約920 m，最小標高約725 m，相對高差約195 m。隧道進口處于近東西向的深切山坡地帶，地形較陡；出口處為一南北向深切河谷的西側山坡，地形較為陡峻。隧址區內基巖為志留系下統韓家店組及龍馬溪組砂巖、灰巖，進口段發育泥灰巖；第四系土層較薄，多為含礫黏土，局部為碎石土。隧址區進出口段受地形及氣候影響，地表水系不發育，山間谷底僅有季節性溪流匯集；洞身地表水體不發育，多為溝谷中發育的季節性溪流，雨季多水，旱季少水甚至無水；地下水主要有第四系松散土層孔隙滯水、基巖風化裂隙水及巖溶水三種類型。

3.2 探測儀器與過程參數

探測的儀器設備主要包括發射系統，接收系統和飛行平臺三部分組成，如圖2所示。發射系統包含發電機、發射機、橋路、控制器和接地電極，最大功率可達1 500 V/67 A，發射頻率為1～10 240 Hz，可實現單頻方波、偽隨機方波、時間域波形輸出。接收系統采用24位AD，采樣率最高可達256 000 Hz。針對地空電磁探測1 000 m范圍內深度探測目標，系統頻帶范圍0.1～10 kHz，動態范圍130 dB，系統分辨率10 pT，同步精度小于200 ns。飛行平臺采用六旋翼電動無人機，該平臺主體為鋁合金制結構，共六個動力總成，旋翼采用碳纖維材料，額定載重為10 kg，額定飛行時間為20 min。飛行控制部分采用零度（ZEROTECH）雙子星控制器，基于該飛控平臺可實現飛行器手動懸停、自動懸停、航

線飛行、自主巡航等飛行任務。

（a）發射系統

（b）接收系統

（c）飛行平臺

3.3 探測范圍

利用地空頻率域電磁探測方法對宜畢高速的坪上1號隧道與坪上2號隧道進行了地空頻率域電磁探測。坪上1號隧道探測范圍為K7+450～K7+750；坪上2號隧道探測范圍K8+180～K8+810，圖3分別為2條隧道探測范圍示意圖。

3.4 探測成果與分析

坪上1號隧道（K7+450～K7+750）電阻率剖面成果如圖4所示。從圖4可以看出，坪上1號隧道（K7+450～K7+750）有兩處視電阻率異常區域，分別命名為PS1-A、PS1-B異常區，其中異常區域PS1-A位于測線110～170 m，距地表70～140 m，為低阻異常區；異常區域PS1-B位于測線30～110 m，距地表240～280 m，為高阻異常區。

坪上2號隧道（K8+180～K8+810）電阻率剖面成果如圖5所示。從圖5可以看出，坪上2號隧道（K8+180～K8+810）有六處視電阻率異常區域，分別命名為PS2-A～PS2-F異常區，其中異常區域PS2-A位于測線110～190 m，距地表70～120 m；異常區域PS2-B位于測線210～250 m，距地表70～120 m；異常區域PS2-C位于測線280～340 m，距地表80～110 m；異常區域PS2-D位于測線460～590 m，距地表70～140 m；異常區域PS2-E位于測線210～300 m，距地表230～280 m；異常區域PS2-F位于測線390～420 m，距地表250～280 m。其中PS2-A、PS2-B、PS2-C、PS2-D屬于低阻異常區域，PS2-E、PS2-F屬于高阻異常區域。

（a）坪上1號隧道

（b）坪上2號隧道

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圖3 坪上1、2號隧道探測范圍示意圖

圖4 坪上1號隧道（K7+450～K7+750）電阻率剖面圖

圖5 坪上2號隧道（K8+180～K8+810）電阻率剖面圖

4 結束語

地空頻率域電磁探測方法由發射系統、接收系統和飛行平臺三部分組成，具有探測深度大、快速高效、精度高的優點，可以運用在復雜地形地貌條件下，是一種地球物理勘探中橫向克盲、縱向攻深的勘探方法。本文通過分析頻率域地空電磁探測方法的原理，介紹了其在擬建宜畢高速坪上1號隧道與坪上2號隧道地質異常區域探測中的運用。通過對所接收數據的解譯分析，為坪上1號隧道圈定出1處高阻異常區域與1處低阻異常區域，為坪上2號隧道圈定出2處高阻異常區域與4處低阻異常區域。為坪上1號隧道與坪上2號隧道的后續工程施工提供了準確、可靠的基礎資料支撐，確保了隧道工程建設的安全、高效推進，同時也為類似隧道工程建設提供了一定的借鑒與參考。

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U452.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.066

2095－6835（2019）13－0150－03

徐毅（1988—），男，助理工程師，主要從事巖土工程、工程地質勘查等相關工作。

〔編輯：張思楠〕