EH4大地電磁測深在馬茨深埋長輸水隧洞勘察中的應用

高錫良，楊立中

(楚雄欣源水利電力勘察設計有限責任公司，云南 楚雄 675000)

桂花水庫位于大姚縣東北部萬馬河支流皮左黑河上，屬金沙江支流。水庫距桂花鎮15km，距縣城97km，是一座以集鎮供水、農村人畜飲水和農業灌溉為主，兼顧防洪的綜合性水利工程。其輸水工程全長27km，其中馬茨隧洞全長7.56km，占輸水工程總長的28.0%，最大埋深569m，是桂花水庫建設的重點難點及控制性工程。

馬茨隧洞斷面為2.2m×2.5m，屬典型的小斷面深埋長輸水隧洞，大斷面隧洞施工機械受限制，傳統人工鉆爆法成為優先選擇的施工工藝，人工鉆爆法在處理隧洞涌水、突泥、軟巖大變形、破碎等問題時，存在風險大、效率低、處理不徹底等缺點。由于馬茨隧洞軸線植被發育較好，大部分洞段地表分布不同厚度的覆蓋層，地質填圖、鉆探、槽探等勘察方法受到限制，且存在勘察周期長、耗資金大、盲目性、整體性差等不足。因此，馬茨隧洞最終選定沿軸線開展貫通性EH4大地電磁測深探測，綜合基礎地質資料、鉆探等進行推斷成果解譯，并通過施工揭露對物探推斷成果進行驗證，將物探、勘探綜合應用于隧洞勘察中，為隧洞設計、施工提供合理可靠的地質依據。

1 地質概況

馬茨隧洞位于曇華山北東側，進口在馬茨河右岸，出口在六姑鲊箐左岸，隧洞區域構造處于曇華山向斜東翼，沿線主要出露白堊系江底河組上雜色泥巖第三段(K2j3)、第四段(K2j4)，主要巖性為砂泥巖互層，巖層走向與洞軸線近平行，傾向順流右洞壁，區域地質簡圖及EH4測線布置(沿洞軸線布置)如圖1所示。

圖1 馬茨隧洞區域地質簡及EH4測線布置

2 物探方法選擇

馬茨隧洞沿線主要出露中生界白堊系地層，巖性為紫紅色粉砂巖、泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖、泥巖。不同巖性及地質體電阻率存在明顯差異，物性特征砂質巖電阻率范圍值為200～1500Ω·m、泥質巖30～200Ω·m、斷層破碎帶5～30Ω·m、褶皺破碎帶30～100Ω·m、含水帶10～100Ω·m。馬茨隧洞區出露的地層巖性及可能存在的地質體物性特征存在明顯差異，且隧洞沿線無500kV輸電線路、風力發電廠等電磁場干擾源，天然大地電磁場未受干擾，大地電磁信號強，具備開展EH4工作的大地電磁場條件，因此，選擇EH4大地電磁測深對馬茨隧洞進行沿軸線全段面貫穿性探測[1- 3]。

3 野外數據采集與解譯

3.1 數據采集

根據馬茨隧洞測量成果、沿線地形地貌，隧洞全長7.56km，確定本次測量點距為40m，共布置189個測點。本次采用美國EMI公司和Geometrics公司聯合研制的新一代電磁儀Strata—gem型EH4電磁系統進行數據采集。工作區遠離各種電磁干擾和較大的近地表橫向電性不均勻性，因此，本次野外數據采集主要采用天然場源，實施單點張量觀測方式，即測量2個相互正交的電場和磁場分量，同時獲得TE、TM 2個方向的電阻率值。接收大地電磁信號的頻率范圍為10Hz～100kHz，設置好能量增益后，主要采用一、七頻段疊加次數為16次進行數據采集。

3.2 數據處理

通過馬茨隧洞EH4野外采集，并對采集數據進行時間序列預處理，再進行FFT轉換，獲得電場和磁場虛實分量和相位數據，對每一個測點進行編輯，剔除畸變頻點，保留高質量頻點數據，后進行一維BOSTICK反演和地形校正，在一維反演的基礎上，再進行二維帶地形反演成像，最后進行綜合解譯，具體流程如圖2所示。

圖2 EH4大地電磁測深數據處理流程

3.3 成果解譯

3.3.1鉆孔資料分析

馬茨隧洞沿軸線共布置6個勘探鉆孔，根據EH4電阻率反演剖面，鉆孔相應位置EH4電阻率等值線(數值n為電阻率指數，電阻率為10nΩ·m)如圖3所示。

圖3 鉆孔位置EH4電阻率等值線

根據勘探鉆孔揭露的巖性、節理裂隙發育、透水性、溶孔發育、EH4電阻率等特征統計見表1。

表1 馬茨隧洞鉆孔主要成果及EH4電阻率統計

3.3.2物探推斷解譯

通過數據處理及成圖，獲得馬茨隧洞EH4電阻率等值線圖，等值線圖電阻率主要分為0～20、20～100、100～1000Ω·m 3個區段，綜合隧洞鉆探成果、地質條件隧洞推斷成果解譯如圖4所示，推斷成果解譯[4- 10]見表2。

表2 馬茨隧洞EH4推斷成果解譯

圖4 馬茨隧洞EH4電阻率等值線及推斷成果解譯

4 推測解譯成果驗證

馬茨隧洞施工由進出口同時向中部掘進，已掘進超70%，其中進口方向已掘進3.5km，出口方向已掘進2.0km。已施工部分的驗證結果表明，EH4推斷解譯成果與已施工洞段揭露的地質情況基本一致，其中2+345里程揭露粉砂巖、泥質粉砂巖互層，地下水活動狀態為滲水(如圖5所示)，6+040里程揭露粉砂巖、泥質粉砂巖夾泥巖，地下水活動狀態為滲水(如圖6所示)。

圖5 馬茨隧洞2+345里程掌子面

圖6 馬茨隧洞6+040里程掌子面

5 結語

EH4探測在馬茨隧洞勘察設計過程中有效避免了隧洞勘察局部性、盲目性，并實現了施工宏觀預測。表明EH4在小斷面深埋長輸水隧洞勘察應用中有一定的優勢和前景，能大幅提升隧洞勘察、設計效率和質量，可為類似工程勘察設計提供參考。但EH4探測受大地電磁場控制，存在高壓輸電線、風電廠等干擾限制，且解譯推斷結果存在多解性。因此，在開展工作前需做好干擾源調查、排查工作，成果解譯宜結合已有的勘察成果資料開展，從而確保成果的可靠性。