音频大地电磁勘探在复杂隧址勘察中的应用.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023音频大地电磁勘探在复杂隧址勘察中的应用彭仲义，武斌，邹俊，刘鹏（四川省地球物理调查研究所，成都6 10 0 7 2）摘要：隧道位于新疆天山支脉婆罗科努山南麓中山区，地质构造情况复杂，地形陡峭，本次采用便携式EM3D音频大地电磁勘探系统开展工作,该装置具有携带方便、探测深度大、受地形影响较小、对低阻分辨率高等优点，适用性较强。本文首先对电磁阵列剖面法工作原理、野外工作方法进行了介绍，然后对隧道段的地质情况进行分析，总结了隧址段岩体的地球物理特征，最后对本次的电磁勘探成果进行地质解译，圈定构造，并根据工程地质手册要求,对隧道轴线岩体进行围岩等级划分。以上说明该方法在隧道勘察中对围岩分级及圈定构造破碎带方面具有较好的应用效果，可为下一步工程施工提供依据。关键词：电磁勘探系统；隧道；破碎带；围岩分级中图分类号：P631.3+4DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.018铁路、公路建设已经成为了促进国民经济快速高效发展的重要因素之一，而隧道所处位置一般都是地形陡峭、交通较差的地区。诸如此类相关的复杂因素，对勘探采集方法的选择、探测设备的使用出现许多不可避免的局限性。音频大地电磁测深是目前较为常用的地球物理勘测手段，其利用人工或者天然电磁场在地球内部激发的电磁感应现象，研究地下由浅到深不同深度上地层的电性结构，被广泛应用于地下水勘察、矿产和地热勘察以及工程地质勘察等方面，取得了较好的效果（张迅等，2 0 15）。本次工作采用的便携式大地电磁勘探系统为以往工程勘察中常用的物探设备EH4的升级版本，型号EM3D。该设备在EH4的基础上大大提高了抗干扰能力，采集数据信噪比有显著提升，在地表条件良好的情况下可观测到离地表几米至10 0 0 m内的地质断面的电性变化信息。本文采用EM3D在复杂隧址区开展音频大地电磁工作，通过对隧道轴线的围岩等级划分及断裂破碎带的揭示，说明该方法能为隧道勘察与施工提供强有力的地球物理依据。1工程概况项目区地处新疆天山支脉婆罗科努山南麓中山区，隧道位于苏布台乡套苏布台村北侧，隧道进口接塔勒德大桥，为分离式隧道。拟建隧道起于里程K1+400段，止于里程K4+600段，长约3.2 km，最大埋深32 0 m左右。隧道进出口位置附近有碎石土路通过，交通极不便利。隧址区以草场、荒山为主，大部地势陡峭，基岩出露，地表植被较发育，整体属中山山地地貌，海拔高程约1450.0 7 17 95.13m，相对高差345.0 6 m。隧道进口上部覆盖风积黄土状粉土，植被较发育，下伏第三系砂岩，地形较陡峻，出口上部覆盖风积黄土状粉土，植被较发育，下伏第三系砂岩和砂砾岩，地形较缓。隧址区以草场、荒山为主，大部地势陡峭，基岩出露，地表植被较发育地形复杂。根据区域地质资料结合初勘成果，隧道区上覆第四系更新统风成黄土状粉土（Q3）及第四系全新统角砾（Q.），下伏石炭系凝灰岩、灰岩（Cia）及第三系（Nz）表1工作区主要岩石物性参数统计表砂岩砂砾岩。代表地层根据物探成果资料及地调资料，隧址区ZK3+050ZK3+200第四系段分布有一条断层破碎带，该断层发育在石炭系的灰岩、凝灰岩中，为正断层，断层破碎带宽约150 m，带内为断层角砾岩。断层带中断层角砾已经固结，为非全新活动断裂，局部构造发育。区域内交通不便，地形复杂，构造发育，导致大型物探设备在该区域内无法开展工作，由于EM3D音频大地电磁勘探系统具有携收稿日期：2 0 2 3-0 5-10作者简介：彭仲义（198 6 一），男，四川遂宁人，中级工程师，研究方向：物探方法的研究及应用94文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0094-05岩性电阻率(.m)压碎岩250900角砾岩120 400断层角砾100 250第三系砂岩砂砾岩石炭系凝灰岩石灰岩100 850150 3 000700 1 5001 600 2.700音频大地电磁勘探在复杂隧址勘察中的应用带方便、探测深度大、受地形影响较小、对低阻分辨率高等优点，适用性较强的特点，通过综合考虑采用该设备开展工作。2地球物理特征本次工作采用天然源音频大地电磁（AMT）法，以地层岩石的电阻率差异来区分地质构造以及判断地下地质体的分布状态（朱光喜，2 0 0 9）。通过收集测区内物性测定工作的成果发现，测区内各地层岩石电阻率值（表1）之间存在着一定的差异，因此本工作区具备电磁法勘探的物理前提（张军，2015)。3工作方法野外勘探方法采用电磁阵裂剖面法即EMAP法（El e c t r o ma g n e t i c A r r a y Pr o f i l i n g）。方法是在每一个测点进行张量测量，同时观测沿测线方向的电场Ex、磁场Hx和垂直测线方向电场Ey和磁场Hy，并且沿测线方向的电偶极子的长度等于点距，两个测点沿测线方向的电偶极子首尾连接，实现EMAP法的连续观测。通过以下公式即可计算出相应频率所对应的该测点下随深度变化的电阻率估计值，进而达到测定地下不同地质体电阻率的目的。E5fH式中：f为频率，单位为Hz；p 是电阻率（m）；E是电场强度（mV/km）；H 是磁场强度（nT）。按设计要求，布设测线长度3.2 km，点距2 0 m，电极距2 0 m。观测频率0.110 0 0 0 Hz。采用单站采集3个电道、2 个y电道及2 个磁场分量，一组排列可同时测定三个测点（图1）。具体方法是在与测线方向一致的X方向使用四个电极，每两个电极组成一个电偶极子X-Dipole；与测线方向垂直的Y方向布设一对电极组成Y-Dipole。同时在X、Y方向埋设一组磁棒Hx、H y。使用网线连接EM3D主机与工作站电脑，进行数据采集工作。本次使用MTsoft2D系列软件对所采集的音频大地电磁资料进行处理，它是集MT、A M T、CSA M T数据去噪、平滑、静态校正、二维多方法多模式反演解释、二维有限元屏幕建模正演为一体的大地电磁资料处理平台。野外数据传入计算机后，首先利用软件对原始数据进行编辑，剔除明显的干扰点，对存在静态影响的数据进行空间滤波，形成频率一视电阻率等值线图，再通过二维反演，绘出二维反演断面图；分析以上图件，划分出异常段；结合地质资料做出初步地质推断（岩性分界及断裂带富水区的位置）黄日华等，2 0 17），具体处理流程如图2（蒋伟等，2020)。GPSEthernet CableRS232LaptopGPSEy1+Ey1Ex1-Ex1图1EM3D电磁系统野外单站AMT布置示意图5H数据编辑正演分析图2 音频大地电磁资料处理流程图12VRS232cGPS1pps12VEH6Ex2-Ex1+Ey1-Hz原始数据数据预处理近场校正定性分析立Bostick反演二维反演综合解释已知地质资料成果图95Ex2+Ex2HxHy静态校正其它解释2023年8 月第43卷增刊第1期4探测成果4.1资料解释原则高程(m)180017001600150014001001300高程(m)18001170016001500强中风1400元化砂岩1300元强风化砂IV岩1200ZK1+400ZK1+600ZK1+800ZK2+000ZK2+200ZK2+400ZK1+600ZK1+800ZK3+00ZK3+200Z图例推测断层破碎带推测岩性接触带推测V级围岩区推测IN级围岩区推测II级围岩区推测破碎富水区隧道位置以勘探区地质资料反映的主要地层岩性、构造为基础，以不同岩性电性特征为物性依据，以钻孔资料为约束条件，对物探资料进行反演。将反演电阻率断面图（图3）作为推断解释的主要依据（皇健等，2020)。（1)首先在分析电阻率断面图横向及纵向电性结构变化规律，以及局部高、低阻异常的范围和形态，从整体上把握隧道在大地电磁测深资料上的反映特征，初步对岩性界线、断裂破碎带、软弱带及含水情况进行判释，为后续进一步的综合地质解释工作提供基础（王吉庆，2 0 2 2）。（2）根据物探勘测数据反演后的视电阻率ps值大小（吴克凡等，2 0 17），结合经验数据，并参照工作区不同的地层岩性以及各种不良地质构造的地球物理特征进行综合分析（表2）。按反演电阻率大小及等值线变化的形态（沙振海，2 0 10），采用、I V、V 等标识符号对应完整岩体、较完整岩体，较破碎岩体，破碎岩体四类岩体对隧道段岩体进行划分（肖想等，2 0 2 0）。4.2资料解释整体来看，隧道段轴线附近视电阻率变化范围较大，在几十至30 0 02.m之间，推测与岩性变化相关。隧道段岩体主要以砂砾岩、凝灰岩为主，岩体多处较破碎，多处存在隐伏破碎带。隧道洞身段电阻率分布解释如下：（1）ZK 1+38 5 ZK 1+6 10 里程段该段为隧道进口及洞身浅埋段，隧道穿越地层电阻率极低，洞身段的反演视电阻率小于10 0 2.m。该洞身段围岩主要为第三系上新统中风化砂岩和砂砾岩，物探推断该段围岩为V、I V类视电阻率异常区，对应岩体风化破碎严重，裂隙发育且富含水，围岩强度及稳定性差，施工应注意防护。（2）ZK 1+6 10 ZK 2+2 2 0 里程段该洞身段反演视电阻率为在10 0 7 0 0 Q.m之间，推断为IV类视电阻率异常区。反演视电阻率曲线表现为密集条带状，物探推测为岩性接触带,岩性以中风化凝灰岩为主，局部为石炭系强风化砂砾岩。段96四川地质学报10001000ZK1+8002ZK2+000ZK2+200ZK2+400ZK1+600ZK1+800 ZK3+00强风化码砾岩！中风花断凝灰岩IYITV中风化灰岩Vol.43Suppl.No.1Aug.,202310:00ZK3+200ZK3+400233+600水平：1：10 0 0 垂直1：10 0 0粉士强风化砂中风化凝求岩IVIV中风化IIIII灰岩图3反演电阻率断面解译成果图表2 苏布台3号隧道主要岩性视电阻率参数统计表电阻率值电性地层岩性变化范围砂岩3 000中-高阻中风化较完整Z4+200福中风中风化砖化砂岩中风化敬砾岩IY凝灰岩23-800Z4002Z4+20风化完整状态程度破碎破碎破碎破碎ZK4+400Z4+400较软岩较软岩较软岩较硬岩较软岩较硬岩ZK4+600Z4+600坚硬电性划分程度围岩级别极软岩V极软岩VIVVVIVIVIII400100704010音频大地电磁勘探在复杂隧址勘察中的应用内岩体稳定较差。（3）ZK 2+2 2 0 ZK 2+2 8 0 里程段该洞身段反演视电阻率为在10 0 7 0 0 Q2.m之间，推断为V类视电阻率异常区，其反演视电阻率曲线扭曲变形，物探推测为断层破碎带（WF2），受其影响该段岩体破碎，节理裂隙发育，含水性较好，围岩强度及稳定性差，施工应注意。（4）ZK 2+2 8 0 ZK 3+38 0 里程段该洞身段岩性主要以石炭系中风化凝灰岩为主，围岩反演视电阻率变化复杂，主要在7 0 0 150 0 Q2.m之间，为IV类视电阻率异常区，对应岩体较完整。ZK2+450ZK 2+490 洞身段、ZK2+640ZK2+710洞身段及ZK3+050ZK3+210洞身段视电阻率在40 0 7 0 0 Q.m之间波动，岩性主要为强风化砂砾岩，物探推断围岩属V类视电阻率异常区，对应岩体破碎，围岩强度及稳定性差。其中，隧道洞身穿越ZK3+100位置附近，异常等值线扭曲形成低阻异常带，推测为断层破碎带（WF3），受其影响该段岩体破碎，裂隙发且含水，施工应注意预防涌水。（5）ZK 3+38 0 ZK 3+7 8 0 里程段该洞身段反演视电阻率为在10 0 7 0 0 2.m之间，为V类视电阻率异常区；其中ZK3+640ZK3+710里程段的视电阻率在7 0 0-150 0 Q.m之间，属IV类视电阻率异常区。物探推测围岩主要以石炭系中风化凝灰岩和强风化砂砾岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎且灰岩区岩溶水发育，围岩强度及稳定性差。该洞身段长约39 0 m，岩体破碎形成大范围富水区，施工时需重点关注，注意预防涌水、突泥及塌方。（6）ZK 3+7 8 0 ZK 3+990 里程段该洞身段岩性主要以石炭系中风化凝灰岩为主，反演视电阻率在7 0 0 30 0 0 Q.m之间，围岩为IV类视电阻率异常区，对应岩体较完整。（7）ZK 3+990 ZK 4+2 8 0 里程段隧道洞身段围岩为砂砾岩，其反演视电阻率为在10 0 7 0 0.m之间，物探推测为IV类视电阻率异常区，对应灰岩岩体中等风化，岩体较完整，围岩强度及稳定性较好。（8）ZK 4+2 8 0 ZK 4+6 0 5里程段该段为隧道出口端，隧道穿越地层以强-中风化砂岩为主。洞身段反演视电阻率小于10 0.m物探推断该段围岩为V类视电阻率异常区，对应岩体风化破碎严重，裂隙发育，含水性好，围岩强度及稳定性极差。其中,隧道穿越ZK4+280附近位置表现为低阻异常带，物探推测为石炭系砂砾岩与第三系砂岩的岩性接触带，岩体极破碎，形成富水区，施工应注意防护。4.3成果验证经过后期在隧道进、出口开展的浅层物探详勘表明，隧道进口端地层为第四系粉土，下伏第三系上新统（N2）强-中风化泥质砂岩，岩体破碎，裂隙发育，局部富水；隧道出口端覆盖第四系粉土层，下伏第三系中新统（N）中风化泥质砂岩，局部极破碎，裂隙发育，遇水易软化、崩解，围岩强度及稳定性极差。而洞身段里程段K2+781处的深钻孔资料表明，浅表覆盖1.5m左右的第四系松散粉土层，1.5 56.9m为石炭系凝灰岩层，下伏地层为灰岩。以上验证结果与本次大地电磁勘察成果基本吻合。5结论（1）采用EM3D音频大地电磁勘探系统在苏布台3号隧道测量的数据进行处理和二维反演，结合地质资料分析，推测出三处异常区，分别为：隧道的进、出口段，物探反演剖面中电阻率值整体较低，主要为IV、V 类异常区，推断岩体破碎富水、稳定性差；隧道洞身ZK2+220ZK 2+2 8 0 里程段，其视电阻率曲线呈条带状扭曲变形，推测为断层破碎带影响区，岩体破碎富水、节理发育，围岩稳定性差；隧道洞身里程ZK3+380ZK 3+7 8 0 段，表现为明显的低阻异常特征，推测为破碎富水区。（2）在断层WF2，W F3位置处，隧道施工时应加强防护，预防地质灾害的发生；在岩体破碎富水区段（V类异常区），施工前应做好超前预报工作，预防涌水、突泥及塌方等地质灾害。（3）通过EM3D音频大地磁勘探系统在隧道的勘察中的应用，查明了隧道段的地层岩性结构、断层972023年8 月第43卷增刊第1期破碎带及不良地质体的分布特征，并对围岩进行了分级判定，取得了较理想的勘察效果。说明大地电磁勘探方法在隧道勘查中的有效性，可为工程建设提供可靠的物探依据，可加以推广。参考文献：皇健，武斌，李鸿泰，等2 0 2 0.EH4高频大地电磁测深法在公路隧道勘查中的应用J四川地质学报，40(0 3)：49 5-49 9.朱光喜：2 0 0 9.音频大地电磁在铁路隧道工程勘察中的应用J.工程地球物理学报，6(0 3)：2 9 4-2 9 8.张军.2 0 15.音频大地电磁法在隧道涌水处治中的应用J.工程地球物理学报，12(0 2)：16 2-16 6.沙振海2 0 10.音频大地电磁法在兰新线达坂城隧道勘察中应用J.工程地球物理学报，7(0 2)：155-158.蒋伟，段长生，陈知富，等.2 0 2 0 音频大地电磁法在复杂地形铁路隧道勘察中的应用J.矿产勘查，11(0 5)：10 53-10 59.黄日华，朱通，廖文鹏，等.2 0 17.音频大地电磁测深在某隧道工程中的应用J.工程地球物理学报，14(0 2)：2 11-2 16.王吉庆2 0 2 2.EH4电磁成像系统在高速公路隧道勘察中的应用探析J.甘肃科技纵横，51(0 7)：50-52+59.肖想，魏元泵廖先平。2 0 2 0.EH4大地电磁测深在高速公路隧道勘察中的应用J.资源信息与工程，（0 4)：8 0-8 2.吴克凡，祁增云，岳军民.2 0 17.EH4电磁成像系统在工程地质勘察中的应用J科技广场，0 5：12 8-132.张迅，雷旭友，李强强。2 0 15.音频大地电磁法(AMT)在某铁路隧道勘察中的应用J科技创新与应用，（0 1)：3-4.四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,202398