音频大地电磁测深法在大金山隧道勘探中的应用.pdf

・隧道／地下工程・音频大地电磁测深法在大金山隧道勘探中的应用章丹贵１赵虎２（１．中国中铁二院工程集团有限责任公司四川成都６１００３１；２．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院四川成都６１００４１）摘要隧道的勘探技术研究，一直是我国铁路隧道勘探研究的热点和难点，传统钻探及调绘等手段在隧道勘探中有较大的局限性，采用新方法技术是提高隧道勘察水平的重要手段之一。结合玉（溪）磨（憨）线特长隧道一大金山隧道音频大地电磁测深工作，阐述了音频大地电磁测深的方法原理、资料采集、地形校正等内容。以音频大地电磁法为主、结合钻探及地质调绘等手段，宏观上查明隧道的地质条件，为深孔钻探孔位布置和隧道设计提供了详实的基础资料。关键词高频大地电磁测深铁路隧道勘探地形校正中圈分类号Ｕ４５６．３文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１５）１０００４５０４ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｕｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＭａｇｎｅｔｏｔｅＨｕｒｉｃＳｏｕｎｄｉｎｇｉｎＳｕｒｖｅｙｏｆＤａｊｉｎＭｏｕｎｔａｉｎＴｕｎｎｅｌＺｈａｎｇＤａｎｇｕｉｌ。ＺｈａｏＨｕ２（１．ＣｈｉｎａＲＡｉｌｗａｙＥｒｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌ坩．，ＣｈｅｎｓｄｕＳｉｅｈｕａｎ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｃｈｕａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＴｒａｎｓｐｏｒｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＨｉｇｈｗａｙＰｌａｎｎｉｎｇ，Ｓｕｒｖｅｙ，Ｄ瞄ｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｅｎｇｄｕＳｉｃｈｕａｎ６１００４１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｕｎｎｅｌｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎ＆ｈｏｔａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍｆｏｒｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅｇｒｅａｔｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓ舳ｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｕｒｖｅｙｏｆｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ８Ｕ－ｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｅｙｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｒｉｃｓｏｕｎｄｉｎｇｉｎＤａｊｉｎＭｏｕｎｔａｉｎ—ｅｘｔｌａｌｏｎｇｔｕｎｎｅｌｏｆＹｕｘｉ－ＭｏｈａｎＬｉｎｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｕｄｉｏ－ｆｉ＇ｅｑｕｅｎｃｙｍａｇｎｅｔｏｔｅＨｕｒｉｃｓｏｕｎｄｉｎｇ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｔｅｒｒａｉｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄＳＯＯｉｌ．Ｔｈｅａｕｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍａｇｎｅｔｏｔｅｌｌｕｆｉｃｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃａｎｒｎａｃｒｏｅｅｏｎｏｍｉｃａＵｙｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｌａｙｏｕｔｏｆｄｅｅｐｈｏｌｅａｎｄｔｕｎｎｄｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｉｉ曲一ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍａｇｎｅｔｏｔｄｌｕｒｉｃｓｏｕｎｄｉｎｇ；ｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｔｅｒｒａｉｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ１引言随着山区高铁的大规模兴建，选线的自由度变小，特长深埋隧道越来越多。特长深埋隧道一般地形地质条件非常复杂。新建铁路玉（溪）磨（憨）线大金山隧道为全线控制性工程之一，隧道断裂发—收稿日期：２０１５一０５２７基金项目：四川省交通科技项目资助（１１０１０＇２０３３）育、岩性复杂，仅依靠传统勘探方法难以查明隧道的地质条件。音频大地电磁测深法是上世纪末发展起来的一种先进物探方法，目前已广泛运用在地矿、煤炭、石油、水利、水电系统的工程地质勘探中，在铁路隧道勘探中，应用该方法近年来也取得良好的效果。本文阐述了采集方法和地形校正等关键技术，大金山隧道的物探结果表明，音频大地电磁法宏观铁道建筑技米ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｌｌｏ）万方数据・隧道／地下工程・地查明了特长深埋隧道的工程地质条件，为深孑Ｌ钻探孔位布置和隧道设计提供了详实的基础资料。２地形、地质概况及地球物理特征２．１地形、地质概况大金山隧道全长１０５１５ｍ，最大埋深约４５６ｉｎ，测区属中低山地貌，地形起伏大；地面横坡陡峻，自然坡度２０一５００，局部陡峻，坡面植被发育，基岩露头少。隧道地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带之东部。欧亚板块西南缘，横跨扬子亚板块之康滇古隆起与滇中拗陷，滇缅泰亚板块之保山褶皱带及其相互碰撞汇聚而成的缝合带，地质构造复杂。测段发育多条断层，断层附近岩层破碎。测区受构造影响，岩层产状复杂。隧道通过地层主要有：白垩系上统勐野井组（Ｋ。）泥岩夹粉砂岩、泥砾岩、盐岩、石膏；白垩系下统曼岗组（Ｋ。。）砂岩夹泥岩、砂砾岩、盐岩、石膏；白垩系下统景星组（墨ｉ）泥岩、砂岩夹盐岩、石膏；侏罗系中上统坝注路组“（Ｊ２）泥岩夹砂岩、泥灰岩、盐岩、石膏。２．２地球物理特征在大地电磁勘探进程期间，采用直流电测深法对工区代表性岩石样品进行了电性参数测试，同时收集了工区物性参数统计数据，对工区的电性参数进行了物探电性参数实测。由表ｌ可知，较完整岩体、较破碎岩体和破碎、软弱或含水岩体之间存在一定的电性差异，因此具备开展音频大地电磁勘探的地球物理前提条件。表１工区岩体电性参数地层岩性视电阻影（ｎ・ｍ）极破碎、极软弱或富水岩体≤２５０破碎、软弱或含水岩体—２５０７５０较破碎岩体７００～２ｏ（）ｏ较完整岩体≥２０００３大地电磁地形影响及校正研究３．１地形影响模型模拟我们对正、负地形模型（见图１）进行了模拟，通过地形模型的数值模拟，可以看到：（１）对于ｒＩＥ勘探模式，在负地形处和台阶底部，同一频率视电阻率值比理论值偏小；且起伏电阻率值越小、落差越大，畸变越大；随着频率的降低，探测深度加大，电磁场向深部扩散，地形影响逐渐消失。（２）对于ＴＭ勘探模式，地形影响主要表现在地形变化位置。在负地形处，理论值比视电阻率值偏小；在正地形处，理论值比视电阻率值偏大；与起伏落差成正比；随着频率的降低，探测深度加大，地形影响逐渐趋于稳定，影响延伸至低频数据。图１地形影响模型３．２比值法地形校正在常规直流电测深中，比值法消除地形影响的实质是：地形校正后的异常曲线，可看作是肜平面水平地面上以不等距测点观测的结果，即将地下介质视为均匀体进行保角映射，把ｚ平面的水平等距点映射为形平面的水平线上不等距点。在均匀介质情况下，有：，ｐ。Ｇ＝ｐ。ｈ／（ｐ。ｏ／ｐ１）（１），式中，ｐ？为校正后的视电阻率；Ｐ？为纯地形视电阻率；Ｐ！为实测视电阻率；Ｐ。为背景场视电阻率。可以采用上述方法来对大地电磁地形影响进行分析研究。上式两边取对数并线性化有：在进行铁路长大隧道勘探中，经常出现无法判，。／。，，。释异常的规模和大小，异常是地质构造本身的反映１９ｐｓ２１９ｐｓ／（ｐ；－／Ｐｌ，２１９ｐｓ一１９ｐｓ＋１９Ｐｌ情况，还是由地形影响、方法本身分辨力不足造成（２）的。因而有必要对铁路长大隧道勘探中的大地电当介质均匀时，则有ｐ？＝Ｐ。成立。此情况表磁地形影响特征进行探讨研究，总结其规律特点，明，如果已知地形条件下的地表电阻率ｐ，和纯异常为最终地质解释提供参考依据。视电阻率ｐ？，在理论上地形校正是完全的。４６铁道建麓技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５仃ＤＪ万方数据・隧道／地下工程・采用如上所述的比值法，对图１所示的地形影响模型进行地形影响校正研究，图２为模型正演结果，图３为比值法地形校正结果，从校正结果可以看出，ｒＩ＇Ｅ模式的地形影响基本得到了消除，，ＩＭ模式的地形影响并未完全消除，得到了一定的遏制，中低频段还是受到了地形的影响。图４分别为大金山隧道Ｆ。，（隔界石４＃断层）地形校正前与校正后的差别，可以明显看出，地形校正之前断层形态不清晰，断层宽度及倾向形态等要素在地形校正后较为清晰地在剖面图上展示出来。０】０．：０．３０４０５０．６Ｏ７０．Ｓ０．９００１０３（１４ｎｊ０．６０７Ｕ８（）９ａ．ＴＥ模式视电阻率拟断面图ｂ．ＴＭ模式视电阻率拟断面图图２模型正演结果（）ｌ（）２（１３０４（）５（Ｊ６¨７０Ｓｎｑａ．Ｔ陕式视电阻率拟断面图图３比值法地形校正结果４资料处理与解译４．１资料处理对资料进行数据预处理，即采用上节介绍的比值法地形校正法对地形影响进行校正，同时采用自适应汉宁滤波和曲线平移等方法进行静态校正，并进行非线性共轭梯度法（ＮＬＣＧ）二维反演计算，反演结果如图４所示，再参考地质资料进行解释，具体解释结果如下。图４大金山隧道Ｆ．旧断层地形校正前后效果对比图（左为校正后，右为校正前）４．２资料解释（１）岩体破碎程度划分铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ隧道穿越的地层复杂，主要以泥岩夹粉砂岩、泥砾岩、盐岩、石膏为主，隧道进出口端有第四系地层分布。隧道洞身穿越岩体电阻率分布零乱，分布不均匀，高、低阻团块和条带相互穿插，表明围岩总体上破碎、软弱、裂隙较为发育，含水性较好。根据工区异常划分原则，隧道洞身ＤＩＣ２０７＋３４０一ＤＫ２０７＋６００、ＤＫ２０７＋７２０一ＤＫ２０７＋８４０、ＤＫ２０８＋２７０一ＤＫ２０８＋４３０、ＤＫ２０８＋６６５一ＤＫ２０８＋７５０、ＤＫ２０９＋０６０一ＤＫ２０９＋３３０、ＤＫ２０９＋４９５一ＤＩＬ２０９＋５１５、ＤＫ２０９＋８５０一ＤＫ２１０＋２５０、ＤＫ２１０＋６００一ＤＫ２１０＋７３５、ＤＫ２１０＋９３５～ＤＫ２１１＋２２０、ＤＫ２１１＋９１５～ＤＫ２１２＋２２０、ＤＫ２１３＋４６５一ＤＫ２１３＋８０５、ＤＫ２１４＋９６５一ＤＫ２１５＋０４０、ＤＫ２１７＋０８５一ＤＫ２１７＋８００等１３段电阻率偏低或等值线变化率较大，为岩体含水、极破碎、极软弱的电性特征反映，可能对隧道工程产生较为严重的不利影响。（２）断层破碎带特征分析在隧道通过地段共发现具有断裂构造特征的２口１５门０Ｊ４７万方数据・隧道／地下工程・低阻异常带６处（见图５、图６），分别编号为Ｌ。、“Ｆ们、Ｆｗ３、Ｆ一、Ｆ硝、Ｆ拍，其中Ｆ。Ｉ、Ｆ们、Ｆ、Ｆ稍为区域断层，Ｆ小Ｆ们为新发现异常，物探成果即验证了原有地质解释，又补充了新的地质信息，现对Ｆ。。断层形态描述如下：洞身ＤＫ２０８＋４３０一ＤＫ２０８＋５８０段电阻率呈自上而下的带状低阻反应，结合地质资料，推测隔界ｌ６００ｌ４００幅１２００１０００８００ｌ６００１４００垤１２００１０００８００石３｝｝断层，电阻率为５０一１０００ｎ・ｍ，倾向大里程方向，宽度约为１５０ｍ，地表及洞身附近位置电阻率较低，Ｐ。＜１０００ｎ・ｍ，推测较为破碎岩体，含水性好，受破碎带影响，岩体完整性较差，工程地质条件较差，且附近可能发育有其他小型断层破碎带。其余各条断层特征与凡，形态类似，不再详述，具体特征见表２构造破碎带统计情况以及解释图５、图６。鬯｛Ｚ图５大金山隧道ＤＫ２０７＋３４０一ＤＫ２１２＋５００段电阻率分布剖面图２１５０００２１５５００２１６０００２１６５００２１７０００２ｌ７５００里程图６大金山隧道ＤＫ２１２＋５００一ＤＫ２１７＋８００段电阻率分布剖面图表２大金山隧道线路断层或构造破碎带编号名称洞身位置视宽度／ｍ简单描述ｌ凡ｌＤＫ２０８＋４３０～＋５８０１５０低阻带状异常，电阻率为５０一ｌ０００ｎ・ｍ，岩体比较破碎，并可能含水２ｂ＂ｗ２Ｄｌ（２０９＋１４０～＋２４５１０５—电阻率偏低且梯度变化大，电阻率为５０５０００・ｍ，岩体比较破碎，并可能含水３，订ＤＫ２ｌＯ＋０６０一＋１４５８５电阻率偏低且呈条带状、梯度变化大，Ｐ。＜４００ｎ・ｍ，岩体比较破碎，并可能含水，影响范围大４ｋＤＫ２ｌｌ＋０８０～＋１８０１００—电阻率极低，电阻率为１００６００ｎ・ｍ，岩体破碎含水，工程地质情况差５％ＤＫ２１４＋５１０一＋６７５１６５—高阻背景中低阻带状异常，电阻率为５０２０００ｎ・ｍ，岩体比较破碎，断层较宽，影响范围较大６，荫ＤＫ２１７＋２００一＋３９５１９５高阻背景中低阻带状异常，ｐ。＜６００Ｑ・ｒｔ，ｉ，岩体比较破碎，并可能含水，影响范围较大（３）地质验证用音频大地电磁法取得了良好的探测效果，表明该方根据物探解释成果，地质人员重点对物探推测法具有探测深度大、高分辨率、设备轻便、测量速度快Ｆ小Ｆ们、Ｆ一、Ｆ俩附近位置进行地面地质调查工等特点，是特长深埋隧道的一种先进勘探方法。作，证实并修正了实际存在的断层位置，且物探新“（２）本次物探探测成果，确定了凡。、叱、尸、发现的Ｆ砣及Ｆ酊对原有的地质资料进行了很好的Ｆ丽等４个区域断层的位置、规模、倾向和产状，同时补充，与物探推测结果基本吻合。新发现的，乙和Ｆ帖两个断层，对原有的地质资料进。“，＾行了很好的补充。。…“（３）对地形影响进行了模拟研究，结果表明比（１）大金山隧道是一地形艰险、断裂构造发育、值法可以有效地消除大地电磁资料的地形影响。地层岩性非常复杂的深埋特长隧道，在此条件下，应（下转第７７页）钙铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｆ７ＤＪ万方数据・线路／路基・地震ＣＴ剖面下部标注较大规模溶洞，最终钻龛妻寺替孔揭示为２个较小规模溶洞。说明当岩溶密集发育谬丐义瓢时，多个规模较小的溶洞表现出的弹性波场与一个［１］苗庆库，李艳．弹性波ＣＴ在岩溶勘查中的应用［Ｊ］．…羹奎愁竺薹望熙。曼罂触难以逐一分㈨瓣鬻嬲裟淼驯ｎ辨相邻密集发育的小规模溶洞。—……………………‘。。磊蓑某，二最；ｊｉ荔～－５４．。式圣士．占褪￡［３］孟宪波，王银．地震ＣＴ在哈大客运专线岩溶探察中的。硐不恫—应用［Ｊ］．铁道勘察，２００８（６）：５６６０．（１）地震ＣＴ为体波勘探，ＣＴ解释剖面可较好［４］张连伟，唐筱蛑，周海滨・跨孔地震ｃＴ在井间岩溶勘’揭示岩溶发育程度懈以及规律ｏｃＴ解释溶洞包［５］冀雯裟：嚣等？篇篥乌化探括两种：一是存在于剖面上，二是剖面附近投影到—２００５，２９（５）：４６３４６６．剖面的溶洞，剖面解释的溶洞数量、范围多于钻孔［６］饶其荣，李学文．用于探测孔旁溶洞的管波探测法揭示溶洞，且解释底板更深、偏于安全。—［Ｊ］．地质与勘探，２００４，４０（ｓ）：１３０１４５．（２）钻探验证表明，浅层基岩面附近溶洞填充［７］李学文，郭金根，饶其索桩位岩溶探测新技术一管波物与第四詈松竺曼婆警弩震：鉴ｃ？：苎管挚兰矍吲懋：翟燃警翟茹大以准确区分。密集发育小规模岩溶的界面也较难—。。望蒜葛羞用高．矗建筑技术，加１４（ｓ１）：１８０１８４．区分，通常表现为一较大规模岩溶发育区。其余岩［９］李学文．管波探测法在广州地铁高架区间桥梁桩位勘溶发育情况与钻探结果吻合。察中的应用［Ｊ］．广州建筑，２００６（５）：５１－５４．（３）在不遗漏重大危害性溶洞基础上，地震ＣＴ［１０］周小刚・郭金根，李学文・管波探测法在大直径嵌岩桩翌竺挲望挚窒竺耋法黻瓤５ｍ以上的黼验纂僦戮襞雷嚣，装戮？与证吻合度大幅提升。［１１］；瑟，藻袋；，；藉磊茹葚爰ｃＴ差铁路路基病害注浆（４）基岩面附近岩溶强发育地段，可利用钻探—效果检测中的应用［Ｊ］．路基工程，２０１５（１）：１６３１６６．进行补充，弥补地震ＣＴ和管波对浅层岩溶解译上［１２］金昌昆，张建中．地震立体层析成像的实现方法及效果的不足。—分析［Ｊ］．ＣＴ理论与应用研究，２０１４，２３（６）：９３９９５０・（上接第４８页）参考文献［１］李坚，邓宏科，张家德，等．可控源音频大地电磁勘探在大瑞铁路高黎贡山隧道地质选线中的应用［Ｊ］．水—文地质工程地质，２００９（２）：７２７６．［２］赵虎，王玲辉，李瑞，等．大地电磁测深法在高原特长隧道勘查中应用研究［Ｊ］．地球物理学进展，２０１４，２９—（５）：２４７２２４７８．［３］曹辉，何兰芳，何展翔，等．高频电磁测深在地下热水勘探中的应用［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ—Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００６（４）：２４８２５４．［４］王辉，叶高峰，魏文博，等．大地电磁测深中大地电场的高精度采集技术［Ｊ］．地球物理学进展，２０１３，２８—（３）：１１９９１２０７．［５］赵虎，王玲辉，李瑞．综合电法在深埋长隧道勘查中的—应用研究［Ｊ］．勘察科学技术，２００８（２）：６１６４．铁道建筘技术ＲＡＩＬＷＡＹＣ０＾ｆＳ丁ＲＵＣ丁『ａＩＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ［６］邓志钢，薛军平，潘继敏，等．ＨＭＴ法探测花岗岩差异风化的应用研究［Ｊ］．地球物理学进展，２０１３，２８（４）：—２１８６２１９２．［７］郭志强，张继令，许广春．可控源音频大地电磁在铁路工—程勘察中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２００８（ｓ１）：５２２５２５．［８］白雪源．大地电磁法在云雾山隧道勘察中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（８）：３５－３８．［９］谭远发．长大深埋隧道工程地质综合勘察技术应用研—究［Ｊ］．铁道工程学报，２０１２（４）：２４３１．［１０］韩松，刘黎东，张连伟．综合物探技术在铁路隧道勘察—中的应用研究［Ｊ］．铁道勘察，２０１０（５）：２７３０．［１１］杨生，鲍光淑．ＭＴ法中静态效应及阻抗张量静态校正—法［Ｊ］．中南工业大学学报，２００２，３３（１）：８１３．［１２］叶高峰，王辉，郭泽秋，等．长周期大地电磁测深数据采集及处理技术［Ｊ］．地球物理学进展，２０１３，２８（３）：１２１９一１２２６．２０１５ｎ０）万方数据