音频大地电磁测深法在某隧道勘察中的应用

范全林 王占永

(河北建筑设计研究院有限责任公司，河北石家庄 050000)

随着我国国民经济的快速发展，城市扩大，人口流动加快，交通运力矛盾日益突出，国家加大了铁路工程建设的力度，而隧道工程作为铁路工程的基础项目越来越多。如隧道穿越崇山峻岭，其施工前期的地质勘察难度增大。钻探作为勘察手段有一定的局限性，而音频大地电磁测深法在隧道工程的应用不失为一种较好的勘探方法。本文就大瑞(即云南大理到瑞丽)线高黎贡山隧道中音频大地电磁测深法的应用谈一点自己的体会。

1 基本工作原理和工作方法

1．1 基本原理

假定大地电磁场为一种平面波，沿铅垂方向射入地下，引起水平电场分量E及垂直于E的水平磁场分量H的变化，其变化量的比值为阻抗，随频率的变化而变化。由于大地是导电的，电磁波透入时会产生涡旋电流而消耗能量，振幅值将不断减小，若定义其幅度为地表的1/e倍时，穿透深度δ为:

其中，δ为穿透深度;ω为电磁波的角频率;σ为地下介质的电导率;μ为磁导率。由此得到穿透深度随频率而变化。

1．2 工作装置与频段选择

音频大地电磁测量通常采用天然场源，也可以采用天然场源和人工场源相结合的方式。在野外测量时，连续电导率剖面仪信号观测分三个不同的频段进行:Ⅰ频段:10 Hz～1 kHz。Ⅱ频段:500 Hz～3 kHz。Ⅲ频段:750 Hz～100 kHz。

具体频段的选择要结合工作区地质情况和地质任务，在野外测量时根据实测电磁场振幅、相位、相干度信息及一维反演结果来确定。

根据往年经验和本项目地质任务，本次测量选用Ⅰ，Ⅲ频段(即低频段和高频段)，单点测深张量测量、十字布极方式(见图1)。低频段采集天然场源信号，高频段采集人工发射场源信号。

图1 连续电导率剖面仪测量装置图

野外测量时电场信号接收偶极采用带有电传感器的不锈钢电极，接收偶极距40 m，磁场信号采用BF-6高灵敏度磁探头接收，使用连续电导率剖面仪进行数据接收和存储。水平方向的两对电极及两根磁探头以测点为中心对称敷设，其中Ex，Hx与测线方向一致，Ey，Hy与测线方向垂直，方位偏差应不大于3°。

1．3 数据处理及反演

1)预处理。

音频大地电磁测量数据预处理包括实时处理和室内编辑两个阶段。

a．实时处理。为保障原始数据质量，连续电导率剖面仪装配了实时处理软件，在每一个测点数据采集完成后，系统自动将采集的时间序列数据进行傅立叶变换，获得电场和磁场虚实分量，直观地显示出电阻率曲线形态、圆滑程度和连续性。

实时处理是在野外采集数据过程中，由控制程序自动完成的，其处理流程见图2。

图2 数据实时处理流程图

在数据采集过程中，仪器操作员随时观察显示屏各道曲线形态，如遇信号不稳定、数据离差较大时可适当增加叠加次数压制噪声干扰，同时在记录表上详细记录电磁干扰所在的位置、时刻、所处频点等内容，在室内编辑处理时参照野外记录将其剔除。如果某一测点测量时噪声干扰过多，需重新采集。

b．室内编辑处理。在数据采集过程中，由于静电、磁棒稳定性、突发性电磁干扰等原因，采集的数据往往会存在一些明显的噪声。含有噪声的数据参加计算会影响所求取的张量阻抗的准确性，最终使反演计算结果出现假的异常信息。室内编辑处理就是剔除噪声干扰、重新计算阻抗张量的过程，主要包括以下几方面工作:对照野外记录，检查数据文件与原始记录的各种参数是否一致;重新回放原始数据记录的时间序列，根据野外记录表删除噪声干扰数据块;根据筛选后的时间序列重新对各个测点进行功率谱及阻抗张量计算，并保存更新结果;编制视电阻率、阻抗相位原始数据断面图，初步分析工作区内的电性分布特征，同时评价原始数据质量;对少数噪声干扰即使从时间序列进行处理后，重新计算的视电阻率和相位曲线也可能不连续，有单个或多个“飞点”出现，即曲线不光滑、出现非正常的跳跃，有的甚至还造成曲线形态的改变，在相邻测线相同位置不具有可比性，数据处理过程中将这类“飞点”予以剔除。

2)反演处理。

反演处理是经过时间序列数据预处理后，对得到的视电阻率和相位数据进行反演处理，探测观测区域不同深度上介质的导电性结构，并结合已有的物性资料，确定电性分布与地层(或岩体)的对应关系来恢复所测剖面的地电结构，进而通过反演电阻率断面图反映深部地质构造特征的过程。

本次数据反演处理采用Bostick法。Bostick反演方法在音频大地电磁测深数据资料处理中应用广泛，它选择预处理后的数据，通过计算将频率—电阻率数据变换为深度—电阻率数据;再通过高程转换程序，将深度—电阻率数据转换为高程—电阻率数据，通过Surfer8．0绘图软件进行网格化处理，最终生成反演电阻率断面图。

2 应用实例

1)云南高黎贡山隧道CK224+000～CK225+000里程段地质概况。高黎贡山隧道属构造剥蚀深切割高山峡谷地貌，穿越燕山期侵入之花岗岩地层，CK224+700附近发育勐冒街断层，受构造影响区内岩体较为破碎、富水、节理裂隙较发育。测区以丘陵山地为主，高差几十米，沟壑发育，切割较深，植被发育，多为野生灌木林，施工条件较差。

2)剖面线布设。云南高黎贡山隧道CK224+000～CK225+000里程段测线布设于铁路设计线上，测点间距为20 m，使用测量标定的里程桩号，准点准位测量，目的是查明围岩的风化、破碎、富水和断层等不良地质情况。

图3 大瑞线高黎贡山隧道CK224+000～CK 225+000里程段AMT电阻率断面图

EH4在野外实际测量时，通过观察时间域信号中的Ex，Ey，Hx，Hy，以规范要求1/2幅值为基准，判别干扰，及时调设参数，提高信噪比。然后通过付氏变换，将时间域信号转换成频率域信号，观察显示的一维电阻率曲线、相位曲线和相干度曲线，来监控数据质量。

3)大瑞(即云南大理到瑞丽)线高黎贡山隧道CK224+000～CK225+000里程段反演电阻率断面图及地质推断解释见图3，图4。

从高黎贡山隧道CK224+000～CK225+000里程段反演电阻率断面图上可以清晰地看到:纵观整体，电阻率表现的特征呈表层低、中部高、深部低分布，其中在构造处电性差异表现的尤为明显，说明构造发育较好，并且影响范围较大。

图4 大瑞线高黎贡山隧道CK 224+000～CK 225+000里程段地质解释图

地表电阻率值较低，总体ρ≤200Ω·m，推断为第四系覆盖层，是强风化破碎岩体或者岩体含地表水。在隧道洞身CK224+000～CK224+032里程段，电阻率呈较高阻特征反映，ρ≥600Ω·m，结合已知地质资料，推断岩性为燕山期侵入花岗岩，隧道洞身处于断层F1的边缘，受到一定的影响，推测为Ⅱ类岩体，较破碎或微含水。洞身CK224+032～CK224+754里程段，电阻率与两侧围岩相比呈较低阻和低阻特征反映，ρ≤500Ω·m，尤其在CK224+700处的电阻率值更低，推断为断裂F1，与地质上的勐冒街断层吻合。由于此区段受构造F1影响，推测为Ⅰ类强风化岩体，破碎或较破碎，节理裂隙较发育，为富水或含水的断层角砾。在CK224+360～CK224+660段，电阻率ρ≤300Ω·m，为破碎重点区;洞身CK224+754～CK224+932，电阻率值呈略高于500Ω·m反映，推测可能还是受构造F1的影响，岩体较破碎、微含水;洞身CK224+932～CK225+000，电阻率反映值:500Ω·m≥ρ≥300Ω·m，与周围岩性相比呈较高阻特征反映，依然受到断裂F1影响，推断为Ⅱ类微风化岩体，可能破碎或含水。

通过该段音频大地电磁测深，对数据资料的分析，垂直勘测线方向发育一条较大的断裂，在电阻率断面图上有较好的低阻特征反映，与地质上的勐冒街断层对应，断裂延伸与隧道线相交，影响范围较大。

后沿大瑞(即云南大理到瑞丽)线高黎贡山隧道CK224+000～CK225+000里程段布置钻孔验证，钻孔结果表明，该段音频大地电磁测深的地质资料解释与实际钻探成果基本相符。

3 结语

音频大地电磁测深法相比其他勘察方法具有仪器轻便、勘测精度较高、费用较低、工期短的特点。相信在不久的将来，大地音频电磁测深法必将在工程地质领域发挥更重要的、不可替代的作用。但是也要看到音频大地电磁测深法在某些地质解释的多解性，工作中应尽量采用多种勘察手段，使数据解释更接近实际情况。

［1］傅良魁．电法勘探教程［M］．北京:北京地质出版社，1983．

［2］刘志刚．隧道地震勘探在工程中的应用［J］．铁道建筑技术，2001(5):1-4．

［3］杨玉春，刘康和．试析综合物探的意义和作用［J］．西部探矿工程，2005(115):91-92．

［4］刘国栋．大地电磁测深研究［M］．北京:地震出版社，1984．

［5］陈乐寿，芏光谔．大地电磁删探法［M］．北京:地质出版社，1990．

［6］常士骠，张苏民．工程地质手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007．

［7］孔思丽．工程地质［M］．重庆:重庆大学出版社，2001．

［8］王毅才．隧道工程［M］．北京:人民交通出版社，2000．