CSAMT在北京山區(qū)隧道勘察中的應用

王鐵領，趙勝嶺，張少雷

（中地華北（北京）工程技術研究院有限公司，北京 100085）

隨著中國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，區(qū)域之間的交流變得越來越頻繁，地區(qū)之間的交通擁堵已成為擺在政府面前一個亟待解決的問題。中國山區(qū)廣袤，目前各地區(qū)在地質(zhì)條件復雜的山區(qū)已經(jīng)修建了多條鐵路、公路等工程。深、長隧道的地質(zhì)勘探工作一直是地質(zhì)勘察的難點、重點，也是擺在地球物理學者面前的一個重要問題。早期的物探方法勘探深度淺，受地形影響較大，無法滿足深、長隧道勘探的要求。CSAMT興起于20世紀80年代，經(jīng)過多年發(fā)展，理論和儀器性能不斷提高。CSAMT具有探測深度大、工作效率高、分辨能力強、能避免高阻屏蔽、對地阻體敏感、設備相對輕便等特點。目前，利用CSAMT可有效判定地下構(gòu)造形態(tài)、巖層界線、地下水賦存狀況等，為工程設計和隧道施工提供參數(shù)。筆者在北京地區(qū)隧道勘察中采用CSAMT開展了深部隧道勘探，取得了較好的效果。

1 CSAMT原理與工作方法

1.1 CSAMT原理

CSAMT是在MT（大地電磁）和AMT（音頻大地電磁）的基礎上發(fā)展而來的，并于20世紀70年代得到發(fā)展應用。其應用領域涵蓋了地質(zhì)勘察、資源勘探等領域，并得到了越來越多的重視。CSAMT利用垂直地面入射的平面電磁波，避免了天然場源的隨機性、信號弱等缺點。該方法以有限長地電偶極子為場源，在場源中心一定距離處同時觀測電、磁場參數(shù)。它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（遠區(qū)），經(jīng)過換算可得到電場E、磁場H、頻率f與卡尼亞電阻率ps的卡尼亞公式：

式中：Ex為沿x方向的電場；Hy為沿y方向的磁場；f為頻率；ps為卡尼亞電阻率。

根據(jù)測量分量數(shù)量和場源數(shù)量，CSAMT有張量、矢量和標量三種形式。目前的測試中多采用標量中的赤道偶極裝置，過程中測量與場源平行的分量Ex和與場源正交的分量Hy。

根據(jù)趨膚效應理論，其趨膚深度δ公式為：

測試中具體探測深度D與理論探測深度d不同，多數(shù)情況下將具體探測深度認定為電磁波能量衰減到50%時的深度，即

由式（3）可知，隨著電阻率的減小或頻率增大，探測深度變淺；反之，隨著電阻率的增大或頻率減小，探測深度加深。在實際工作中通過調(diào)整發(fā)射頻率改變探測深度。據(jù)統(tǒng)計，CSAMT在ps較低的沉積盆地或者第四紀覆蓋層較厚的地區(qū)測試深度僅為500m，在電阻率較高的巖層地區(qū)測深可達2000m。

1.2 CSAMT的現(xiàn)場工作方法

CSAMT的現(xiàn)場工作示意圖如圖1所示，該圖選用直角坐標系，x軸平行AB，z軸垂直向下。探測中，通過A、B電極向下供電，發(fā)射電流頻率可變，在距離發(fā)射電極很遠的地方進行接收測量。

圖1 CSAMT現(xiàn)場工作示意圖

2 CSAMT測量參數(shù)的選擇及提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法

2.1 發(fā)射測量頻率f

通常，根據(jù)探測要求和場地電阻率初步確定發(fā)射頻率。頻點的選擇要滿足目標探測深度范圍內(nèi)都有足夠的數(shù)據(jù)，一般根據(jù)探測深度選擇20～40個頻點。現(xiàn)有的儀器設備頻帶寬度為0.125～10000Hz，對應的勘探深度為幾十米至幾千米，其中多以“2”倍率從低到高增加頻點，重點層位加密頻點測量。

2.2 收發(fā)距R

由發(fā)射頻率f對應的趨膚深度和合適的測試效率來確定合理的收發(fā)距R。其主要限制因素有三個：（1）最小收發(fā)距；（2）最大收發(fā)距；（3）信號強度與偏離場源中垂線兩邊方位角30°的依賴關系。收發(fā)距太近，測深曲線尾支會出現(xiàn)45°陡峭上升的近場效應；收發(fā)距R過大，遠區(qū)數(shù)據(jù)越多，測試效率越高，同時會導致有用信號在傳播過程中的衰減。信號的強度直接影響信號的質(zhì)量，尤其是低頻信號衰減更大。根據(jù)多次測試經(jīng)驗，一般認為收發(fā)距大于趨膚深度3～5倍時，近似認定為遠區(qū)場。在現(xiàn)場測試中，一般收發(fā)距R為4～10km（若條件允許的話，可適當再增大）。

2.3 供電極距AB

通常AB≤（1/3～1/5）R，AB越大，系統(tǒng)曲線的低頻特征越好，適宜探測中深部地層，AB越小，系統(tǒng)曲線的高頻特征越好，適宜探測中淺部地層。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般AB可取1～3km。為了提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，發(fā)射端供電時盡量采用低電壓大電流的形式，這樣有助于提高發(fā)射系統(tǒng)的效能，I越大，Ex、Hy越大，越容易被接收機觀測到，有助于壓制干擾。同時還要降低發(fā)射端AB的接地電阻，在發(fā)射端澆鹽水。

2.4 接收偶極矩MN

接收偶極矩MN約等于水平分辨異常的能力，MN越大，分辨率越低，但能提高觀測電位差值，更加易于觀測，工作效率高；MN越小，可提高分辨率，但是降低了數(shù)據(jù)質(zhì)量。根據(jù)探測目的和目標地的深度，接收偶極矩一般可為20～50m。為了提高接收采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，接收偶極矩MN盡量采用不極化電極，減少干擾。同時保證接收偶極矩的接地電阻越小越好，在電極處澆適當?shù)柠}水，保證接地電阻＜5kΩ。

3 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)校正

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

CSAMT的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 靜態(tài)校正

靜態(tài)效應是指由于地表局部存在的尺度規(guī)模遠小于最小趨膚深度的三維不均勻電性體，造成電荷積累而引起的電阻率和頻率無關的電阻率變化。靜態(tài)效應是電法勘探中（CSAMT、AMT、MT）共有的一種現(xiàn)象，只影響電場數(shù)據(jù)，不影響磁場數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為在電阻率雙對數(shù)曲線中曲線保持形態(tài)不變的上下平移，而相位保持不變。靜態(tài)效應對低阻局部異常影響明顯，表現(xiàn)為曲線向下平移；對高阻局部異常體影響較小，表現(xiàn)為使曲線輕微上移。在具體的CASMT成果圖上表現(xiàn)為橫向較小的范圍內(nèi)直上直下的等值線帶狀異常。目前提出的靜態(tài)校正方法很多，主要有數(shù)值分析法、曲線平移法、空間濾波法、不變量響應分析法等，最常用的為基于人工識別的空間濾波法（五點濾波、七點濾波、中值濾波）。

4 工程應用實例

4.1 工程地質(zhì)概括

擬建北京山區(qū)隧道勘察工程位于北京西北太行山脈的延伸地帶，地形起伏較大，穿過的場區(qū)地貌為近東西走向的構(gòu)造剝蝕丘陵、低山山脈及溝谷地貌。山體坡度一般在40～50°，局部為陡崖，山坡植被較為發(fā)育，海拔高程為410～690m。沿線分布的地層以中元古界沉積巖與中生界火山巖、火山碎屑巖及侵入巖為主，在山間沖溝與河谷地帶分布第四紀洪沖積層，在山麓斜坡帶分布第四紀殘坡積層。區(qū)內(nèi)含水層主要為第四系松散巖類含水巖層、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖層和火山碎屑巖、巖漿巖裂隙含水層，含水量受季節(jié)和氣候的影響顯著。

4.2 巖礦石物性統(tǒng)計

對該場區(qū)的主要常見巖性的物性參數(shù)進行測試統(tǒng)計，如表1所示。由統(tǒng)計結(jié)果可知，該區(qū)域各類巖石電阻率變化范圍較大，平均電阻率為138.14～1334.84Ω·m，且具有明顯的各向異性。白云巖電阻率變化范圍最大，同時出露的灰質(zhì)白云巖的電阻率值較低，平均電阻率僅為179.81Ω·m，該灰質(zhì)白云巖在該區(qū)域普遍分布，且具有一定的連續(xù)性和分層性，對該區(qū)域物探異常的識別具有一定的影響，綜合分析時應注意識別。

表1 典型地層巖性的物性參數(shù)

4.3 測試參數(shù)取值及檢查校正

在本次CSAMT測試中，使用加拿大鳳凰地球物理有限公司生產(chǎn)的V8網(wǎng)絡化多功能電法儀，采用赤道偶極裝置標量觀測方式。為滿足觀測條件，沿測線方向布設電極排列，工作頻率選取為9600～0.125Hz中的25個頻點；收發(fā)距R約6km；發(fā)射AB極距2km；發(fā)射電流2～8A；磁探頭方向與AB供電極垂直；接收偶極矩MN為20m。在施工過程中，及時布置檢查點總數(shù)大于測點總數(shù)的3%；檢查點兩次觀測的相應視電阻率曲線形態(tài)一致，對應頻點的數(shù)值接近，相對均方誤差小于5%，均滿足規(guī)范要求。

4.4 探測成果

該工程實施測線較長，總計完成CSAMT測線剖面6km，本文只選取2個典型剖面進行綜合物探分析。剖面一CSAMT反演成果圖如圖3所示。

圖3 剖面一CSAMT反演成果圖

該剖面測試深度范圍內(nèi)電阻率值變化較大，大部分巖體電阻率為200～5000Ω·m，局部電阻率為5000Ω·m以上。隧道洞身附近，高中低阻相間分布，說明構(gòu)造比較復雜。

其中樁號YK25+330～YK25+380段存在一相對低阻異常變化帶，電阻率＜100Ω·m，地表存在溝谷發(fā)育，推斷為斷裂破碎帶，記為F1。該斷裂帶向下延伸穿過隧道洞身，該處巖體軟弱、破碎，局部含水量較高，影響隧道施工。經(jīng)驗證，附近1#鉆孔巖芯整體較為破碎，局部存在泥質(zhì)充填物。樁號ZK25+640～ZK25+660段分布有相對低阻異常變化帶，電阻率＜100Ω·m，由地表延伸至隧道下方，推斷為斷裂破碎帶，記為F2。該斷裂帶向下延伸穿過隧道洞身，受其影響，該處工程地質(zhì)條件較差，巖體較破碎，對隧道施工影響較大。

剖面二CSAMT反演電阻率斷面圖如圖4所示。

圖4 剖面二CSAMT反演成果圖

由圖2可以看出，測試深度范圍內(nèi)電阻率變化較大，大部分巖體電阻率為20～3000Ω·m。該段淺表電阻率橫向連續(xù)性較差，推斷為淺部覆蓋層及白云巖風化不均勻的反應。隧道洞身附近及以下，表現(xiàn)為一層較為連續(xù)的低阻異常帶（電阻率值＜130Ω·m，起止樁號為ZK25+950～ZK26+230）。經(jīng)打鉆驗證，該處2#鉆孔巖芯整體完整性較高，洞身隧道巖芯為微風化灰質(zhì)白云巖。由前期該區(qū)物性測試和巖芯電阻率測試可知，該區(qū)域灰質(zhì)白云巖平均電阻率在179Ω·m以下，故推斷該低阻異常為受該層賦存的灰質(zhì)白云巖所致。可見，CSAMT對低阻體異常的反應比較敏感。

5 結(jié)束語

本次根據(jù)CSAMT的探測成果并結(jié)合該段山區(qū)地質(zhì)資料劃定了多處斷層破碎帶和低阻異常區(qū)，取得了很好的勘察效果，得到了以下結(jié)論和認識。

（1）CSAMT探測深度大、工作效率高、分辨能力強、能避免高阻屏蔽、對地阻體異常敏感，是山區(qū)隧道勘察項目中有效的地球物理勘察手段。

（2）在野外采集數(shù)據(jù)時，技術人員應根據(jù)探測目的和目標體位置，分析計算觀測裝置參數(shù)。在保證信噪比的情況下，要盡量使采集的數(shù)據(jù)處在遠區(qū)，并且按照規(guī)范要求布置發(fā)射、接收偶極子，采取提高發(fā)射電流、降低接地電阻等方式提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（3）在數(shù)據(jù)處理中，要識別靜態(tài)效應，謹慎分析處理這些效應的影響。

（4）在電阻率反演斷面圖中，斷層破裂帶、軟弱帶及富水帶等不良地質(zhì)體在圖中顯示為片狀、團塊狀、條帶狀以及串珠狀低阻等特征。

（5）由于山區(qū)地質(zhì)條件復雜，在使用CSAMT方法時要注意結(jié)合地質(zhì)資料、鉆探資料、其他物探方法及資料綜合分析。

（6）通過對本次工作的應用，隧道洞身附近的異常體已經(jīng)基本查明，滿足了地質(zhì)勘察任務的要求，為工程設計和施工提供了可靠的參考。