大功率電測深法及微動探測法在福建某隧道勘察中的應用

■ 朱 通

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

隧道圍巖情況在公路建設中對施工影響極大，因此隧道前期勘察不可或缺。 通常，隧道所處位置地形復雜，埋深較深，常遇見無法通過觀測發現的不良地質體，因此在隧道開挖之前，須查明隧道不良地質體。 隧道探測時，常用的物探方法有：高密度電法適合淺埋段，探測深度有限，對于深部信息缺失，受地形影響較大[1]；地震折射法受地形及炸藥源限制，很難在公路隧道中發揮作用，且人工源激發，能量低，導致探測深度有限[2]；高頻大地電磁法是目前隧道勘察常用的物探方法，能適應復雜地形條件，探測深度1 000 m 以內，橫向分辨率高，但采集信號易受高壓線干擾，無法適用各種環境[3]；大功率電測深法采用大功率人工源，抗干擾能力強，通過改變極距探測不同深度，能滿足工程探測需求，淺部分辨率高，受高壓線影響較小[4-5]；微動探測法不受電磁因素干擾，受地形影響很小，同時采用直線型臺陣方法，能夠更好地適用于復雜地形，工作效率高[6]，但探測精度相對圓形臺陣略差。 結合隧道測線上方有高壓線影響以及地形因素，本文采用大功率電測深以及微動探測技術對福州市連江縣某隧道進行前期隧道勘察，通過綜合物探方法提高物探解譯的準確度，以滿足隧道勘察要求。

1 原理及工作方法

1.1 大功率電測深法

不同地層的電阻率存在差異，是大功率電測深法探測的前提。 通過人工供電，發射電壓電流，接收深部數據； 通過改變電極距以及加大供電電壓，實現探測不同深度，同時確保深部信號正常，從而達到查明不同深度下橫向地質體電性分布。

式（1）中，K 為不同極距裝置系數；ΔU 為一次場電壓，V；I 為該電極距下通過地層的電流值，A；ρs為該接收點的視電阻率值，Ω·m。

1.2 微動探測法

微動是地球中存在的微弱震動[11]。 任何時刻地球表面都在發生震動，只能用高靈敏度的儀器觀測到一種振幅很小的微弱振動，其位移一般只有幾微米到幾十微米，通常將這種人體難以察覺的微小振動稱為微動。 微動來源四面八方，地震、海浪與潮汐、自然界中的人與機械等產生的震動。 雖然微動信號微弱，但其頻率范圍豐富，能夠攜帶不同深度信息。 通過前人對微動的不斷深入研究，現已形成一套理論。

微動信號可以根據時間與其位置變化，用時間t0和位置矢量ξ（x0，y0）的函數表示；則其對應該時刻的頻譜可以表示為：

式（2）中，ω0=2πf0為角頻率；K0=（kx0，ky0）為波數矢量；Z0為正交隨機過程。

根據空間自相關法原則得出[7-8]：

式（3）中，S（f0，r0，θ）、S0（f0，0） 和Sr（f0，r0） 依次為該點對應的交叉譜和功率譜。 J0為第I 類零階貝塞爾函數，得出x0=。通過式（3）計算各點空間自相關函數ρ（ω0，r0），根據ρ（f0，r0）=J0（x0） 可以計算出x0，通過x0=求出相速度c（f0），從而計算得出相應的相速度頻散曲線。

為獲得速度-深度曲線，利用式（4），將相速度頻散曲線（Vr-f ）轉換成視S 波速度Vx-H，通過插值、平滑處理，最終獲得視S 波速度剖面[9]。

式（4）中，vr為瑞雷波速度；ti為周期。 微動剖面結果能更客觀、 直觀地反映地層巖性及構造變化。

2 數據采集與處理

2.1 大功率電測深法

本次所使用的電法儀器設備為重慶奔騰數控技術研究所生產的WDFZ-5 型、WDFZ-10 型大功率智能發射裝置， 以及WDJS-2 數字直流激電接收機和8 500 W 發電機。 隧道最大埋深245 m，為滿足探測要求，最大供電極距為目標體探測深度5 倍以上，測量一次場電位在10 mV 以上。 采用正三極裝置采集模式，較之偶極-偶極和對稱四極等裝置采集，其優點是在復雜地形條件下電極布置靈活，發射功率大，對陡產狀地質體的分辨能力強。 由發射機自動記錄供電電流A0及時間，接收機負責記錄每個點的觀測電壓U0（一次場）和觀測時間，采集完成后通過專用的軟件和計算公式根據每個點觀測電極（A、B、M、N，其中B 為無窮遠級）位置、同一時間觀測的電流電壓計算出該點的視電阻率。其A0 距離（O 為MN 中點）為A0=40、80、120……1 000 m 和A0=60、100、140……1 020 m；MN=40 m；采用3 臺接收機同時接收， 每臺同時觀測2 個點；供電周期8 s；觀測參數為發射電流A0（mA）和一次場U0（mV）。 正三極測深滾動裝置如圖1 所示。

圖1 正三極測深滾動裝置示意圖

為保證數據質量，每次收放電纜線均對其進行檢查，防止漏電情況發生；無窮遠極采用不銹鋼釬狀電極進行布設，并澆鹽水盡量降低接地電阻，以盡可能加大發射電流以抑制噪聲；供電電極采用不銹鋼釬狀，測量電極采用硫酸銅不極化電極；觀測數據，數據記錄不少于2 次，以確保數據精度。

大功率電測深法在野外采集的數據在進行預處理后，計算出視電阻率，轉換成RES2DINV 數據。RES2DINV 數據采用GEOTOMO 公司的RES2DINV反演軟件系統處理，采用5 次迭代。 通過對原始數據進行噪音剔除、平均，轉換成本軟件處理格式。 最后利用surfer 繪圖軟件繪制二維電阻率成果圖。

2.2 微動探測法

現場微動探測法數據采集使用UItraSeis-3 型多功能無線地震采集站，檢波器主頻為2 Hz，通過GPS 授時功能實現各臺地震儀的同步信號采集。

野外工作設備作業前，需對儀器進行一致性測試，以確保觀測數據可靠有效。 儀器一致性測試時，將全部儀器放置到同一點處，設置好參數，同步記錄直至信號穩定。 外業實際工作過程中，沿物探測線進行檢波器線性布置，數據采集采用滾動式直線型裝置，一次性布置12 臺檢波器，為滿足探測深度需求，檢波器臺陣距為20 m，每個排列滾動5 臺檢波器，物探測點使用RTK 進行20 m 放樣測量，單個排列每次觀測時間為15～20 min，直至曲線形態穩定后停止數據采集，進行下個排列采集直至整條測線結束。 微動探測法直線型滾動裝置如圖2所示。

圖2 微動探測法直線型裝置滾動示意圖

微動探測法資料處理過程中，現場數據記錄包括野外班報記錄表、實測微動數據以及實際微動勘探點坐標等。 微動數據預處理時，先將坐標進行分割成對應的單個小排列坐標形式，同時將實測微動數據轉換成sg2 格式， 滿足每個sg2 文件對應單個排列坐標。 微動數據處理時，先導入sg2 文件，經過濾波技術，空間自相關計算，提取頻散曲線，本次采用12 臺檢波器，每次滾動5 臺檢波器，每個排列可以獲取5 條頻散曲線，對頻散曲線進行低頻截取以及高頻截取，獲得速度-頻率曲線，再進行深度轉換速度-深度曲線，并保存數據，最后將處理完的數據通過surfer 軟件繪圖獲得視S 波速度剖面成果圖。

3 隧道勘察實例

3.1 工程概況

擬建隧道位于福建省內，隧道起訖里程K3＋900～K4＋800，隧道設計長度900 m，最大埋深245 m，隧道上方多組高壓線斜交。 地貌單元主要為剝蝕丘陵、低山及沖洪積溝谷、河谷地貌。 剝蝕丘陵地貌地形起伏大，高程一般為113～500 m，地勢線路中間高，起終點低，山坡坡度25°～45°，局部達50°以上。

根據地質調繪及鉆孔揭示，擬建隧道地層巖性相對簡單。 上覆第四系全新統沖洪積層；第四系坡、殘積層；下伏白堊系小溪組第二段（K1x2）熔結凝灰巖；局部有硅化花崗斑巖，零星分布酸性及中基性侵入巖等。 區域地質構造為北北東－北東向斷裂，主要分布于區東南部，成帶展布，歸屬于長樂－詔安斷裂帶東北段。

3.2 大功率電測深法及微動探測法資料解譯

物探隧道完整性解譯情況主要結合大功率電測深法及微動探測法綜合判斷，根據大功率電測深法成果圖及微動探測法成果圖中變化特征，結合區域地質情況，對成果圖中等值線變化趨勢及數值大小等因素綜合考慮。 圖3 為隧道CW1 測線 （K3＋900～K4＋800） 大功率電測深法二維反演成果圖，電阻率采用對數坐標形式；圖4 為同一隧道W1 測線（K3＋900～K4＋800）微動探測法相速度成果圖，黑色實線為隧道洞身底界面。 從圖3 可以看出， 里程K3＋900～K4＋160 之間，洞身電阻率相對低，橫向電性變化較大，里程K4＋040 附近有明顯低阻通道，低阻區域電阻率低于650 Ω·m， 物探推測為F1 節理或破碎帶，根據鉆孔揭示，該處為斷層花崗斑巖破碎帶，圖4 顯示該段相速度整體偏低，物探推測該段圍巖整體較破碎-破碎；里程K4＋160～K4＋460 之間，圖3 顯示電阻率整體高，對應圖4 相速度大小整體大于1 000 m/s，物探推測該段圍巖整體較完整-完整；里程K4＋460～K4＋720 之間，圖3 顯示隧道洞身上方有圈閉的低阻異常區（方框處），該異常區正處于山頂正下方，同時地表正上方疊加高壓線鐵塔，從原始數據上還無法確認是否受干擾，目前二維帶地形反演程序還無法消除地形影響，因此僅憑大功率電測法無法排除該異常的真實性，圖4 顯示該段隧道洞身上下位置相速度高，自上而下，相速度等值線逐漸升高，由于微動探測法受地形影響較小，結合圖3、4 分析，物探推測該段圍巖整體較完整-完整；里程K4＋720～K4＋800 之間，隧道出口段，圖3 顯示電阻率等值線變化不均勻，結合圖4相速度整體相對較低，物探推測該段圍巖整體較破碎-破碎。

圖3 CW1 測線（K3+900～K4+800）大功率電測深法二維反演成果圖

圖4 W1 測線（K3+900～K4+800）微動探測法相速度成果圖

4 結論

（1）大功率電測深法適用于隧道探測，能較好地識別具有一定規模的不良地質體構造，淺部分辨率高，同時對高壓線有一定的抗干擾能力，但對于山頂正下方疊加高壓線，目前還無法消除“假異常”，且人為跑極，工作效率低，成本大。 （2）直線型臺陣微動探測法能夠更好地適應山地地形的隧道勘察，同時具備不受高壓線影響、受地形影響較小、工作效率高等優點，但探測精度會有所下降。 （3）通過綜合物探方法對隧道進行探測，能夠起到相輔相成，互相補充的作用，同時能提高物探的解譯精度，更好地為地質行業服務。