可控源音頻大地電磁和折射地震在隧道勘查中的應(yīng)用：以沈白鐵路楊樹(shù)隧道為例

劉桂梅，范劍，王茜，楊學(xué)明，王自力，雷清，張翰奇

（1.天津市地球物理勘探中心，天津300170；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津300170）

1 概述

當(dāng)前在我國(guó)的鐵路工程地質(zhì)勘察工作中面臨著許多新的挑戰(zhàn)，鐵路工程建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，而長(zhǎng)期以來(lái)隧道勘察一直是鐵路工程地質(zhì)勘察中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]，特別是復(fù)雜地質(zhì)條件下的長(zhǎng)大深埋隧道往往作為線(xiàn)路控制性工程，直接影響線(xiàn)路方案、投資、安全、工期以及環(huán)保等多個(gè)方面。

為查明隧道覆蓋層厚度、巖層風(fēng)化程度、巖層界限、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水情況等，前人探索出許多方法和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出將綜合地球物理勘察技術(shù)[1,3-5]應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道，通過(guò)采用不同地球物理勘察方法的互補(bǔ)性，可提高地球物理資料解釋精度，為隧道勘察設(shè)計(jì)施工提供綜合地球物理依據(jù)。

本文以楊樹(shù)隧道勘察為例，通過(guò)在隧道開(kāi)展的可控源音頻大地電磁測(cè)深和淺層地震折射波法，查明了隧道進(jìn)出口及淺埋地段的上覆蓋層厚度、土石界線(xiàn)、縱波速度等地質(zhì)情況；深埋地段隧道洞身及以上的巖性界限、構(gòu)造、地下水及其它不良地質(zhì)情況，綜合分析研究了可控源音頻大地電磁測(cè)深和淺層地震折射法在隧道勘察中的具體應(yīng)用和勘察效果。

2 方法原理

2.1 可控源音頻大地電磁測(cè)深原理

可控源音頻大地電磁法（CSAMT），是在大地電磁法的基礎(chǔ)上，為克服后者觀測(cè)信號(hào)弱而發(fā)展成的一種人工源電磁測(cè)深方法。該方法主要采用人工場(chǎng)源，與天然源大地電磁測(cè)深相比，具有信噪比高、快速高效等特點(diǎn)。已經(jīng)在能源、金屬與非金屬等礦產(chǎn)資源勘查以及水文、工程、環(huán)境、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了重要作用。

在野外數(shù)據(jù)采集中，主要采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測(cè)量。該裝置使用有限長(zhǎng)的供電電極AB作為場(chǎng)源，在距離場(chǎng)源中心一定范圍以外進(jìn)行觀測(cè)與人工場(chǎng)源相平行的水平電場(chǎng)分量Ex和與場(chǎng)源相正交的水平磁場(chǎng)分量Hy。通過(guò)測(cè)量到的電場(chǎng)的幅值Ex和磁場(chǎng)的幅值Hy來(lái)計(jì)算卡尼亞視電阻率ρs，電場(chǎng)的相位值Ep和磁場(chǎng)的相位值Hp來(lái)計(jì)算卡尼亞相位φs。利用視電阻率和相位參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，并根據(jù)反演電阻率分布斷面結(jié)果進(jìn)行合理的地質(zhì)推斷解釋。

2.2 地震折射波法原理

淺層折射波探測(cè)方法是研究人工地面激發(fā)的地震波，當(dāng)下層介質(zhì)的波速大于其上層介質(zhì)波速以及波的入射角等于臨界角的情況下，地震波就會(huì)沿著速度界面?zhèn)鞑ィ瑒t其傳播方向發(fā)生改變且沿界面下沿滑行，從而在界面的上覆介質(zhì)中產(chǎn)生折射波。通過(guò)研究在地面觀測(cè)到的折射波到達(dá)時(shí)間與該點(diǎn)相對(duì)于激發(fā)點(diǎn)之間的距離關(guān)系，可推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

準(zhǔn)旅行時(shí)解釋?zhuān)═′）法俗稱(chēng)表層剝?nèi)シǎ抢孟嘤鰰r(shí)距曲線(xiàn)求取T′直線(xiàn),再通過(guò)T′直線(xiàn)求取界面速度和遲滯時(shí)間,并進(jìn)而求出各點(diǎn)界面深度的一種方法。該方法適用于多層結(jié)構(gòu)，考慮到解釋的精度，一般可用于三—五層地下結(jié)構(gòu)。

3 工作方法

3.1 CSAMT工作方法

本次勘察根據(jù)勘察設(shè)計(jì)及任務(wù)要求，沿楊樹(shù)隧道中線(xiàn)布設(shè)CSAMT測(cè)量剖面對(duì)隧道進(jìn)行貫通。儀器采用美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ型多功能電法儀，標(biāo)量采集模式。測(cè)量頻率范圍設(shè)置為8~8192Hz，AB發(fā)射偶極子長(zhǎng)度1.2km，并且保持與測(cè)線(xiàn)大致平行；發(fā)射偶極子所覆蓋的范圍與偶極子的垂線(xiàn)夾角不超過(guò)30°，收發(fā)距為11km，發(fā)射電流穩(wěn)定在8A以上；測(cè)點(diǎn)使用RTK野外放點(diǎn)，點(diǎn)位誤差小于0.5m；測(cè)點(diǎn)間距為25m，MN極距和點(diǎn)距相同，每個(gè)排列采集6個(gè)點(diǎn)。

3.2 淺層地震折射工作方法

本次工作采用美國(guó)Geometries公司生產(chǎn)的NZ24型地震儀，錘擊震源開(kāi)展工作。地震折射波法采用相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，排列長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度合理選擇。道間距選擇5m，最大炮檢距根據(jù)折射波盲區(qū)的距離進(jìn)行選擇，以滿(mǎn)足近炮盲區(qū)折射波的連續(xù)追蹤。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 CSAMT數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)取得的原始數(shù)據(jù)（.raw）進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換（.AVG）；然后采用Inv_MT2d軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是飛點(diǎn)的編輯和曲線(xiàn)的圓滑；之后對(duì)預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)采用人工曲線(xiàn)平移法進(jìn)行數(shù)據(jù)的靜態(tài)校正；最后選擇合適的參數(shù)和模型進(jìn)行一維反演成圖。

4.2 淺層地震折射數(shù)據(jù)處理

對(duì)原始記錄通過(guò)拾取各單炮初至?xí)r間，然后繪制時(shí)距曲線(xiàn)圖，采用表層剝?nèi)シㄇ笕「魉俣葘拥乃俣燃昂穸龋⒔Y(jié)合地質(zhì)、鉆孔等資料進(jìn)行定量解釋?zhuān)煌瑫r(shí)對(duì)地震折射數(shù)據(jù)采用Plotrefa軟件進(jìn)行層析成像處理，求取洞身頂部縱波速度并采用Surfer軟件繪制等值線(xiàn)圖。

5 楊樹(shù)隧道探測(cè)結(jié)果分析

楊樹(shù)隧道為新建沈陽(yáng)至白河鐵路工程通化段某深埋隧道，位于吉林省通化市楊樹(shù)排子村附近，起止里程段為DK167+35~DK168+350，隧道全長(zhǎng)1000m，隧道平均埋深在地下60m左右，最大埋深約120m。

工區(qū)為中—低山地貌，地形起伏較大，植被較發(fā)育。地表出露地層為第四系全新統(tǒng)坡洪積層角礫土和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖。

為查明隧道進(jìn)、出口覆蓋層厚度、土石界線(xiàn)、縱波速度、深部斷層、破碎軟弱帶及巖體完整性等不良地質(zhì)情況，在隧道進(jìn)口（167345~167460）和出口（168255~168370）段采用地震折射法；隧道全線(xiàn)采用CSAMT貫通勘察。

5.1 隧道進(jìn)、出口淺層地震折射結(jié)果分析

圖1為楊樹(shù)隧道進(jìn)、出口地震折射物探勘察成果圖。隧道進(jìn)口上覆為角礫土及全風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，表層縱波速度為0.7km/s，覆蓋層厚度在7~12.7m之間；第二層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，其縱波速度為2.0km/s，層厚度在3.9~12.5m之間；其下伏為弱風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，縱波速度為3.0km/s；洞身頂部縱波速度在0.2~4.2km/s之間變化，且隨著洞身埋深的加大，速度也在逐漸加大，表明深部巖層結(jié)構(gòu)大致穩(wěn)定；同時(shí)縱波速度層析結(jié)果顯示隧道進(jìn)口縱波速度偏低，說(shuō)明該區(qū)域巖石風(fēng)化破碎嚴(yán)重。

圖1 楊樹(shù)隧道進(jìn)、出口地震折射成果圖

隧道出口上覆蓋層的縱波速度0.7km/s，覆蓋層厚度在7~12.7m之間；層厚度在4.8~6.7m之間；第二層強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖縱波速度為2.1km/s，層厚度在9.8~12.5m之間；下伏弱風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖的縱波速度為2.9km/s；洞身頂部縱波速度在0.1~3.6km/s之間，縱波速度層析結(jié)果顯示該段洞身附近速度偏低，表明巖石風(fēng)化易破碎。

楊樹(shù)隧道進(jìn)、出口淺層地震折射勘察成果基本查明了上覆蓋層的縱波速度和層厚度，下伏基巖的縱波速度，并結(jié)合速度層析成果圖研究分析了隧道進(jìn)、出口一定深度內(nèi)的縱波速度斷面圖，為隧道淺埋地段設(shè)計(jì)施工提供了有利地球物理依據(jù)。

5.2 可控源音頻大地電磁結(jié)果分析

解釋原則：隧道的施工可能從大里程到小里程、也可能從小里程到大里程，最危險(xiǎn)處應(yīng)為鄰近高低阻的隧道段落，即高低阻變化處，最接近可能存在（承壓）地下水的位置，容易出現(xiàn)塌方、冒頂、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，重點(diǎn)標(biāo)識(shí)為I類(lèi)異常，大致對(duì)應(yīng)于地質(zhì)圍巖的Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖；低阻區(qū)域圈定為II類(lèi)異常，大致對(duì)應(yīng)于地質(zhì)圍巖的Ⅳ圍巖，該類(lèi)異常臨近高低阻變化的明顯低阻，也是容易出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域，圍巖的完整性差。施工穿越明顯高低阻變化處后，地下水基本得到釋放，危險(xiǎn)性顯著降低。

結(jié)合淺層地震折射成果和CSAMT測(cè)深成果，隧道淺部電阻率值較低，一般小于200Ω·m，主要是碎石土和全風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖的反映；下伏弱風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖的電阻率值稍高，大于300Ω·m；在大里程段深部電阻率值較低，一般小于200Ω·m，結(jié)合工區(qū)地質(zhì)資料，應(yīng)是侏羅系頁(yè)巖的反映。

DK167+425~DK167+475段電阻率值較低，局部等值線(xiàn)向下凹陷，推斷局部富水，定為II類(lèi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)WTII-1；DK167+675~DK167+725段電阻率等值線(xiàn)梯度變化較大，定為II類(lèi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)WTII-2，DK168+175~DK168+225段位于高低阻梯度變化處，定為II類(lèi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)WTII-3，上述高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。

DK167+500、DK167+600、DK167+900處電阻率劇烈變化，梯度變化較大，等值線(xiàn)陡立，推斷存在斷層，分別標(biāo)記為F1、F2、F3，在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。

同時(shí)根據(jù)隧道進(jìn)、出口淺層地震折射的解釋成果，結(jié)合隧道CSAMT淺部電阻率及等值線(xiàn)變化特征的反演成果，對(duì)隧道上覆蓋層的分布情況進(jìn)行了劃定。

5.3 綜合地球物理探測(cè)方法結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)楊樹(shù)隧道采用的綜合地球物理方法結(jié)果分析，淺層地震折射波法主要依據(jù)波速特征對(duì)隧道淺部進(jìn)出口的覆蓋層厚度及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，可控源音頻大地電磁法主要依據(jù)地下介質(zhì)的電阻率特征對(duì)隧道深部地質(zhì)構(gòu)造及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，二者互為補(bǔ)充，即查明了隧道淺部的覆蓋層厚度及圍巖結(jié)構(gòu)特征，又對(duì)隧道深部構(gòu)造、軟弱巖層分布特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了單一物探方法的局限性，提高了解釋精度，為鐵路隧道勘察提供了有利地球物理依據(jù)。

6 結(jié)論

（1）利用淺層地震折射波法可以對(duì)隧道淺埋地段的上覆蓋層厚度、縱波速度以及基巖的縱波速度等進(jìn)行有效識(shí)別和劃分；通過(guò)速度層析可直觀地了解洞身附近的基巖速度變化特征。

（2）利用可控源音頻大地電磁法可查明隧道軟弱巖層、破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造及賦水性，了解隧道洞身附近的圍巖地質(zhì)特征。

（3）淺層地震折射和可控源音頻大地電磁測(cè)深的綜合地球物理探測(cè)方法可對(duì)隧道的淺部和深部的地球物理特征進(jìn)行綜合解釋?zhuān)静槊髁怂淼赖纳细采w層厚度、洞身附近的破碎、賦水及隱伏斷裂的發(fā)育情況，為隧道地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)施工提供了地球物理依據(jù)。

（4）綜合地球物理探測(cè)方法在鐵路隧道勘察中使解釋的可靠性得到大大的提高，彌補(bǔ)了單一物探方法解釋的缺陷，提高了解釋精度，是一種行之有效的方法。