EH4連續電導率儀在云南臨清線小寨山隧道中的應用

作者簡介：龍 斌（1990—），研究方向：工程物探、基于探地雷達的道路病害無損檢測技術。

摘要：近年來深埋隧道施工屢有發生突水、涌泥、坍塌，甚至發生人身安全事故，查明深埋隧道中存在的隱伏巖溶、斷層、暗河等復雜工程地質問題尤為重要。文章以云南臨清線小寨山隧道為例，介紹了EH4連續電導率儀在深埋隧道的工作原理及方法，并通過對左右幅探測結果與施工階段開挖資料對比，得出EH4連續電導率儀探測結果與隧道開挖揭露地質情況十分吻合。EH4連續電導率儀的應用，不僅查清了該段隧道巖溶、斷裂等發育情況，還查清了隧道的隱伏構造，為隧道的安全施工提供了技術支持。

關鍵詞：巖溶；斷層；EH4連續電導率儀；深埋隧道

中圖分類號：U452.1⁺7

0 引言

隧道施工作為道路工程、水利水電工程等基建工程中最關鍵、風險最高的一部分，經常會遇到各種復雜的、影響施工安全的地質問題，因此，前期查明隧道所處位置存在的巖溶、隱伏構造等不良地質的性質、規模、特征等尤為關鍵，可為隧道設計和安全施工提供可靠的技術參數支持。

隧道的不良地質探測常用的物探方法有高密度電法、地震勘探法和音頻大地電磁法。根據勘探目的和深度的不同，每種方法又有各自的優缺點。

高密度電法原理跟常規電阻率法相同，其通過研究巖、土導電性的差異來對地層進行分層，計算巖土體的深度和厚度，查明地下不良地質或構造，如巖溶、裂隙等^[1]。其優點是成本低、效率高，儀器使用方便，對淺部巖土體的分層和不良地質探測精度較高；缺點是探測深度有限，受場地和儀器影響，不適用于深埋隧道的普查工作，受地形起伏影響較大，受體積效應影響，成果解釋只能定性，很難定量。

地震勘探法是利用地下介質的彈性和密度差異探測地質構造或測定巖土物理力學參數、進行物性分層、尋找構造帶的一種較成熟的地球物理勘察方法^[2]。其優點在于對淺層有較好的分層效果，可推斷破碎帶、構造的產狀和規模，能夠較為準確地提供圍巖參考波速^[3]；缺點是在對深埋隧道進行探測時成本高、效率低、受地形影響大。

與以上兩種常規物探方法相比，基于麥克斯韋方程組完整統一的電磁場理論發展的EH4連續電導率儀的優點有^[4-5]：（1）設備輕便，對地形條件較差的地區操作方便，而且工作效率高，探測1 000 m左右深度平均15 min以內完成；（2）儀器實時顯示時間序列和功率譜圖像，便于有經驗的人現場分析數據質量以及初步判斷異常分布形態；（3）儀器成熟穩定，在工程勘察、水文勘察、礦產調查等方面具有廣泛應用基礎，認可度較高；（4）能同時接收X、Y兩個方向的電場與磁場，反演X-Y電導率張量成像剖面，對判斷二維構造效果顯著。基于以上優點，EH4連續電導率儀在對西南地區高速公路隧道中的斷層、巖溶等不良地質勘察具有較好的應用基礎。

1 方法原理

EH4連續電導率儀的工作原理與傳統MT法一樣，是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號和人文活動產生的電磁場信號作為激發場源，當天然交變電磁場入射地球，在地下以波的形式傳播時，地面電磁場的觀測值由于電磁感應的作用，會包含地下介質的電阻率分布信息。而由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，因此大地電磁測深通過研究地表采集的電磁數據能夠反演出地下不同深度介質電阻率分布的信息^[6]。

EH4連續電導率儀在野外是通過單點連續觀測的形式獲取信號。首先將電道（E_X，E_y）和磁道（H_X，H_y）連接到前置放大器（AFE），再由控制電纜連接主機，通過主機表面阻抗可以快速以視電阻率的形式實時顯示出來，這種靈活便捷的顯示方式，可以讓探測人員根據顯示結果的初步分析和現場情況，及時調整測量設計。

由于EH4連續電導率儀在野外工作時受到外界干擾較大，因此測量過程中應注意以下事項^[7]：

（1）儀器應當盡量避開干擾源如房屋、電線、水流、鐵路等，若不能避免的情況下，也應盡量遠離，減小干擾源對電磁場的影響，最終影響真實的地下地質信息。

（2）前置放大器和磁探頭盡量保持水平，且磁探頭與電極盡量保證垂直，誤差不能超過±2°。

（3）當出現地形較陡、高差較大時，磁探頭應埋入土中。

（4）接地電極盡量插在原生土層，以減小接地電阻，所有電纜線盡可能貼地，避免因環境因素影響數據質量。如圖1所示。

在數據處理時，盡可能在保證原有數據信息不被消除的前提下，去除干擾。根據測點信息所顯示的測點相位、阻抗、相干度頻譜圖、野外工作記錄以及工作人員自身的經驗，將測點中因受到干擾而畸變的點進行刪除，并多次成圖比較，再結合前期調繪、鉆孔等地質資料綜合分析，形成最后的物探成果解譯圖。

2 測區概況

測區海拔高程為940～1 514 m，相對高差574 m，屬深切割高中山地貌區，地形起伏大，地形坡度為10°～35°。測區位于勐簡鄉大寨村，交通條件差。擬建的路線里程左線ZK82+860～ZK85+984段、右線K82+899～K86+000段，設計以隧道通過（小寨山隧道）。地表植被發育，洞身段多以樹林為主。

區域地質資料及地質調查結果表明：隧址區斷裂較為發育，主要斷裂F2為逆斷層，全長約110 km，傾向140°～150°，傾角25°～40°，傾角局部變陡，達到60°～80°，破碎帶寬均在20～30 m，局部達50～100 m，普遍見到斷層角礫巖、糜棱巖和派生小褶曲存在。而且該段存在富水、巖溶等不良地質，地表巖溶主要表現為溶槽、石牙、溶蝕小孔和巖溶洼地等。

另外，隧址區于K83+460附近發育小型斷裂（F1），該斷裂地表跡象不甚明顯，破碎帶一般＜10 m，屬非全新世活動斷裂，與路線呈大角度相交。

3 測區地球物理特征

測區范圍內主要地層為第四系（Q^el+dl）粉質黏土、斷層角礫巖，三疊系中統河灣街組（T₂m）白云巖、灰巖，古生代（Pz）片巖、二疊系下統草壩山頭組與大名山組（P₁c+dm）并層白云巖，其主要巖性見表1。根據測區野外巖土體主要物理量測量結果，測區主要巖土層的地球物理參數見表2。

4 EH4測量及解譯

4.1 工作部署及數據處理

為了查清小寨山隧道進口端不良地質，根據勘察要求，并結合現場地形情況，沿小寨山隧道左幅軸線ZK83+150～ZK84+000段（右幅K83+150～K84+000段）布置2條縱向平行測線，命名為L1、L2。測點間距20 m，電偶極矩20 m，實現首尾相連，完整覆蓋觀測。當遇地形陡峭、障礙物無法跨越時，根據實際情況適當改變極距大小。在重點關注位置（如斷層、富水區等）附近，測點間距改為10 m，信號分低、高、中3個頻段依次采集，疊加次數16次以上，并做好現場記錄。

對測線L1、L2所采集數據，用專業軟件對單個測點數據壞點逐一剔除，并根據相鄰測點數據對個別測點做靜態效應壓制處理，然后帶地形進行反演輸出，再用Surfer軟件形成深度-視電阻率（對數）色度圖，成圖結果如圖2及后頁圖3所示。

4.2 成果解譯

綜合EH4對小寨山隧道進口端左右幅的探測成果，可以得出以下結論：

（1）隧道K83+150～K83+500段巖層視電阻率值在4～400 Ω·m，均值為150 Ω·m，推測該段主要為片巖段，巖體完整性較差，在K83+200～K83+320段可能富含水，隧道開挖時需加強防范；在隧道K83+500～K84+000段巖層視電阻率值普遍較高，在400～10 000 Ω·m，均值為2 000 Ω·m，推測該段為白云巖段，且在片巖與白云巖接觸位置（K83+500附近）存在斷層F1，斷層附近巖體破碎。

（2）在隧道K83+680～K84+000段深0～160 m處為一低阻異常，視電阻率＜400 Ω·m，形狀為“U”字形，根據地質資料，0～45 m主要為表土層與第四系的反映，45～160 m推測為巖體破碎、裂隙發育區。

（3）在隧道K83+580～K83+620段、K83+680～K83+700段深230～290 m處（左幅異常，右幅未見該異常）、K83+830～K83+970段均出現低阻異常，視電阻率均值為400 Ω·m，推測為巖溶發育區，隧道開挖時需加強防范，謹防突水、涌泥等意外事故發生。

后經施工階段揭露，從隧道K83+180段附近開始，圍巖完整性極差，開挖過程中時有掉塊和小規模坍塌，并伴有滲水等情況出現，開挖難度較大，開挖進度緩慢，一直到K83+500段圍巖才逐漸變好，與探測結果吻合較好。

5 結語

本文通過EH4對云南臨清線小寨山隧道左右幅探測結果對比，顯示在復雜地形、地質條件下，探測結果具有很高的一致性，成功查明了隧道進口端富水、巖溶、斷層等不良地質體的分布規模及位置，與隧址區內實際地質條件高度吻合，最大限度降低了后期隧道的開挖風險。證明該方法對深埋隧道巖溶勘探實用性較強。與其他電磁法設備相比，EH4連續電導率儀具還有工作效率高、探測深度大、設備輕便等特點，在西南巖溶發育區工程勘察中具有廣泛的應用場景。與此同時，由于其受電磁干擾大、淺部分辨率低等缺點，在實際工程勘察中需結合鉆探或其他物探方法進行綜合解譯，以獲得更符合地下真實場景的地質信息。

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