音頻大地電磁法在西渝高鐵華鎣山隧道勘察的適用性及應用

郭靖 王安平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-4659

摘? 要：本文對音頻大地電磁法的基本原理、特點和基礎理論進行了研究分析，結合以往的工作經驗和研究成果，總結了該方法在華鎣山隧道勘察中的適用性，對隧道勘察物探方法的選擇是有所幫助的。根據其適用性，對鐵路隧道的不良地質體勘察有著良好的探測效果，對隧道設計具有十分重要的指導意義，以供參考。

關鍵詞：音頻大地電磁法? 原理? 特點? 適用性

中圖分類號：P642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0026-04

Application of Audio Magnetotelluric Method in Huayingshan Tunnel Survey of Xiyu High Speed Railway

GUO Jing? WANG Anping

（Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Engineering Institute Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan province， 610072 China）

Abstract： This paper studies and analyzes the basic principle， characteristics and basic theory of audio frequency magnetotelluric method， Combined with the previous work experience and research results， the applicability of this method in Huayingshan tunnel survey is summarized， which is helpful for the selection of geophysical methods in tunnel survey. According to its applicability， it has a good detection effect on the investigation of unfavorable geological body of railway tunnel， and has a very important guiding significance for tunnel design， for reference.

Key Words： Audio frequency magnetotelluric method; Principle; Characteristics; Applicability

隨著國民經濟的快速發展，人口流動的加快以及交通運輸能力的矛盾日益突出，我國對鐵路工程建設日益增強，但在穿越高山和山脊的隧道建設初期，地質勘察變得越來越困難，傳統的地質方法在隧道勘察中有很大的挑戰性，地球物理勘察作為隧道工程地質勘察的重要方法之一，具有重要的工程價值和社會意義。地球物理勘察作為一種間接的勘察方法，具有分辨力較高、探測精度較高、能夠獲取多條信息的優點，因此在隧道勘察中得到了廣泛的應用。而地球物理勘察有著很多種方法，每種地球物理勘察方法都有其適應性和局限性，為了提高勘察的準確性，有必要結合勘察任務的地球物理特征，并根據各種地球物理方法的適用性進行選擇，以便最大程度地提高勘察精度。而音頻大地電磁法在隧道工程中是一種較好的勘察方法[1-6]，本文就音頻大地電磁法對華鎣山隧道勘察的應用談一下體會。

1? 原理

該方法是基于大地電磁測深法原理，是在20世紀50年代初期提出的一種較新的地球物理探測方法。它是通過對地面電磁場的觀測，來研究地下巖礦石電阻率的分布規律的一種物探方法。大地電磁理論的關鍵是研究地面電磁場與地下巖礦石的電阻率存在的關系。根據趨膚深度探測理論，可導出探測深度公式為：

（1）

式（1）中，D為探測深度，單位是m;ρ為電阻率，單位是Ω·m;T為周期，單位是s。

音頻大地電磁法原理如圖1所示。

2? 特點

該方法主要具有以下特點。（1）該方法引入阻抗張量的概念，克服了地下介質各向異性的影響。（2）觀測頻帶寬，其最小探測深度幾米，最大探測深度達2000m，適合不同程度的工程勘察。（3）由于場源較遠，觀測位于波區，場源相對較簡單，方法較為成熟。（4）該方法對二維地質體反映較為真實，能客觀地反映地電結構。

3? 適用性

根據隧道軸線穿越的路線，目前地面物探工作面臨的挑戰主要有以下幾點：一是隧道地面地形切割大，地面施工面臨著很大的挑戰;二是隧道地質條件復雜，會穿越地質構造異常復雜的地區，解釋難度大;三是傳統意義上的可控源電磁法是只能在遠區進行觀測，觀測區域小;四是信號強度受場源接地條件影響大;而新型電磁勘探方法例廣域電磁法，雖具有橫向分辨能力較強，勘探深度大、資料處理與解釋技術相對成熟等特點，但設備相對笨重，信號強度亦受場源接地條件影響較大。綜合上述各方法技術的優缺點及現場施工的難易程度，結合隧道實際的地形地質條件，認為可控源電磁法與廣域電磁法雖然理論上可行，但在這種復雜地形條件下，施工會變得非常困難，不具有施工可行性。音頻大地電磁法具有快速、經濟、可靠的優點，具有施工的可行性，可以比較快速地完成2000m以淺埋深隧道的勘察工作，可應用于鐵路隧道斷層破碎帶探測、煤礦采空區探測、巖溶探測等方面。

4? 應用實例

華鎣山隧道位于川東弧形褶皺帶的華鎣山背斜北段西翼，隧址區內地形坡度一般在23°～30°，局部為47°～51°，坡向主要向南東、北西，與地層傾向斜交僅局部大體一致，構成了斜交或順向斜坡，整體屬中高山地形。地貌受華鎣山背斜影響，山脈走向與背斜軸線方向基本一致，呈近南向，山脊一般由須家河組第四段砂巖組成，雷口坡組白云巖及白云質灰巖和須家河組砂巖經長期溶蝕、風化剝蝕后形成單面山脊，組成侵蝕切割地貌。

隧址區物性工作進行了有針對性的巖樣采集及測試工作，巖性主要以砂巖、泥巖、白云巖為主。通過測試，隧址區內砂巖電阻率值為280～810Ω m，常見值為320Ω m，泥巖電阻率值為88～339Ω m，常見值為150Ω m，白云巖電阻率值為1208～3524Ω m，常見值為1600Ω m。該隧道目的任務為探測煤礦采空區，為隧道設計提供基礎地質資料。結合勘察目的和現場工作條件，采用音頻大地電磁法進行勘察。隧址區主采煤層為須家河五段至七段，須家河組地層各段電性變化較小（反演剖面等值線間距為5Ω m），通過視電阻率等值線變化異常并結合煤層位置圈定出了采空區異常。根據反演成果，結合地質資料，對分析解釋如下。

4.1 音頻大地電磁法剖面解釋

（1）L7測線大致垂直于地層走向布設，圖2為L7線反演成果圖。整體規律：成果顯示，淺部主要為泥巖的低電阻率特征;中部主要為砂巖的中高電阻率特征，深部主要為灰巖的高電阻率特征。局部分析：L7線反演剖面下伏須家河組五段至七段煤層位置在剖面中出現視電阻率等值線較為凌亂的現象，圈定出2處異常區域，異常編號為A1、A2，推測為校辦煤礦、大隊聯辦煤礦、監獄煤礦等老窯采掘范圍較大，煤礦采空后對水進行疏干形成的采空影響區域。

（2）L8測線大致垂直于地層走向布設，圖3為L8線反演成果圖。整體規律：成果顯示，淺部主要為泥巖的低電阻率特征;中部主要為砂巖的中高電阻率特征，深部主要為灰巖的高電阻率特征。局部分析：L8線反演剖面下伏須家河組五段至七段煤層位置在剖面中出現視電阻率等值線較為凌亂的現象，圈定出2處異常區域，異常編號為A3、A4，推測為城西煤礦采空區水未完全疏干形成的采空影響區域。

（3）L9測線大致平行于地層走向布設，圖4為L9線反演成果圖。整體規律：成果顯示，淺部主要為泥巖的低電阻率特征;中部主要為砂巖的中高電阻率特征，深部主要為灰巖的高電阻率特征。局部分析：L9線反演剖面下伏須家河組五段至七段煤層位置在剖面中出現視電阻率等值線較為凌亂的現象，圈定出2處異常區域，異常編號為A5、A6，推測為城西煤礦及老窯采空區形成的采空影響區域。

4.2 音頻大地電磁法平面解釋

將剖面上圈定的異常投影到平面圖上，根據地質調查成果，并結合收集到的煤礦資料，可知圈定的異常與華鎣山隧道具有如圖5所示的平面位置分布關系。在異常分布圖上，自西向東、由南至北，依次將異常編號為A1、A2、A3、A4、A5及A6，共圈定出6處異常，可得出以下推斷。

（1）L7線圈定的A1、A2異常及L9線圈定的A6異常位于隧道北側，最近采空區異常影響區域（A6異常）邊界距離隧道平距160m，方位341°方向，且隧道洞身與A6異常底界高差為155m。因此，北側圈定A1、A2異常及A6異常未向隧道洞身延伸。

（2）隧道線路穿過L8測線圈定的A3采空區異常影響區域，穿過L9測線圈定A5采空區異常影響區域下方約30m處。

（3）6處異常空間位置與實際地質吻合性較好，結合現有物探成果及煤礦資料綜合分析，推測隧道存在煤礦采空區的風險。因此，在該地段提請隧道設計和施工中應采取相應的措施。

5? 結語

（1）音頻大地電磁法成果顯示華鎣山隧道存在煤礦采空區的風險，基本控制了煤礦采空區的空間展布位置，該方法適用于鐵路隧道不良地質體的勘察，應用效果較好。

（2）音頻大地電磁法能夠較為真實地反映了地層結構，為隧道選線及布設鉆孔提供了科學的物探資料。

參考文獻

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