EH-4电磁成像系统在高速铁路隧道工程勘察中的应用

莫亦可

（成都理工大学，成都 610059）

EH-4电磁成像系统在高速铁路隧道工程勘察中的应用

莫亦可

（成都理工大学，成都 610059）

EH-4电磁成像系统，兼具有源电磁法的稳定性和无源电磁法仪器设备的轻便性特点，能对隧道洞身周围地质构造有较为精确的宏观反映。以成渝客运专线新中梁山隧道施工为例，介绍该系统在高速铁路隧道勘察中的应用。

电磁成像；隧道；高速铁路；工程勘察

铁路工程施工过程中，隧道围岩一定范围内的软弱层、岩溶洞穴和断层破碎带往往存在施工安全隐患，因此对工区可能存在的破碎富水岩体等地质构造进行超前宏观预测具有重要现实意义。铁路隧道工区往往地形条件恶劣，对探测仪器的便携性要求较高。美国Geometrics和EMI公司联合研制生产的双源型大地电磁系统，即EH-4电磁成像系统，兼具有源电磁法的稳定性和无源电磁法仪器设备的轻便性特点，能对隧道洞身周围地质构造有较为精确的宏观反映。

1 EH-4电磁成像系统原理

EH-4电磁成像系统（简称EH-4）既可以使用天然场源的大地电磁信号，又可以使用人工场源的电磁信号，以此来获得测量点下的电性结构。低频数据受到深部或远处地质体的影响，通过天然场成像（MT），其信号源为0.010～1kHz，高频数据受到浅部或附近的地质体的影响。它通过一个新型便携式低功率发射器发射500Hz到100kHz的人工信号，弥补了人工信号源的不足，实现了天然信号源与人工信号源相结合的采集处理方法，可以有效地穿透不同厚度的覆盖层（如风成黄土、残坡积物等），连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像，高精度反演测区内地下0～1 000m的电性结构，更好地适应了恶劣条件下的铁路隧道勘探。

EH-4 通过观测正交的电场分量（Ex，Ey）和磁场分量（Hx，Hy）的时间序列，通过傅立叶变化将时间域的电磁信号变成频谱信号，得到 Ex、Ey、Hx、Hy，最后通过式（1）和式（2）分别计算X方向和Y方向的卡尼亚电阻率：

式中：f—频率，Hz；ρ—电阻率，Ω·m；E—电场强度，mV/km；H—磁场强度，nT。在一个宽频带上测量E和H，并由此计算出不同频率下的卡尼亚视电阻率和相位，可以确定地下岩层的电性结构和地质构造。

电磁波在大地介质中的穿透深度（或趋肤深度）与频率有关。穿透深度可由式（3）表示：

由式（3）可知，趋肤深度和地质体电阻率成正比，和频率（f）成反比，即高频资料主要反映浅部介质的电性特征，低频资料则主要反映深部介质的电性变化特征；因此，通过研究地表采集的电性磁性数据能够反演出地下不同深度介质电阻率分布的信息。

EH-4的主要特点可归纳如下：

（1）EH-4应用大地电磁法的原理，但使用人工电磁场和天然电磁场两种场源；

（2）EH-4既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便；

（3）EH-4能同时接收并分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，对判断二维构造非常有利；

（4）EH-4仪器设备轻，观测时间短，完成一个近1 000m深度的测深点，大约只需5～20min，这使它可以轻而易举实现密点连续测量（首尾相连），进行EMAP连续观察；

（5）在EH-4的采集控制主机中插入两块附加的地震采集板，就可使一台EH-4兼作地震仪和电导率测量，为一机实现综合勘探首创先例；

（6）实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观。

2 系统使用方法

EH-4在野外实际测量中多采用剖面法，即沿垂直于构造走向的测线上，每个一定距离进行类似于单点的测量，根据标量测量和张量测量的设计，所测参数有2～4个。

EH-4成像系统由发射系统、接收系统和控制系统三大部分组成。其中发射系统主要由发射机、发射天线和控制器组成；接收系统主要由前置放大器、电子传感器及附属设备组成；控制系统主要由主控及系列软件组成，系统软件有数据采集控制和资料处理两大功能。三大系统组成的野外工作装置布置见图1。

图1 EH-4电磁成像系统工作装置布置

在进行野外实际测量时，将测线方向视为X方向，垂直测线方向视为Y方向，在测线的测点采用“十”字形布极的方式，以前置放大器为中心沿X和Y方向布置两组相互正交的高频磁探头和电极，为了保护前置放大器，应首先接地，并且远离磁棒至少10m。根据地形和地物条件，各个测点的电极距为8～20m不等，电极方向分别平行和垂直于测线。同样，高频磁探头也分别平行和垂直于测线（X磁棒平行于Y方向，Y磁棒平行于X方向）。磁棒离前置放大器应大于5m，为尽可能地消除人文干扰，应将其埋入地下，保证平稳，用罗盘和水平尺使Hx和Hy两个磁棒呈直角（误差控制在2°以内）水平放置，放置位置应尽量选择远离房屋、电缆和大树的地方。所有工作人员要离开磁棒至少10m，主机要放置在远离前置放大器至少20m的平台上，主机操作员应最好能看到前置放大器和磁棒的布置。另外，为保证测量质量，应保证各个电极接地良好并尽量避免周围环境中的干扰因素，例如人工电场、铁制品等。

3 数据采集与处理

对野外采集的时间域两个电场分量Ex、Ey，以及两个磁场分量Hx、Hy进行傅氏变换转换为频率域信号，获得电磁场频率域的实分量和虚分量，计算出各个频带的视电阻率，电场和磁场的振幅，相位差以及相干度等，并在现场进行一维Bostic反演。在一维反演的基础上，室内资料处理采用了Robust估计方法处理时间序列资料，Robust估计方法不允许少数异常数据或“飞点”在阻抗的计算中起控制作用，最大限度地压制了不相关噪声的影响，从而获得高质量的张量阻抗元素，利用公式（1）或（2）计算出视电阻率，再利用EH-4二位成像软件和Surfer绘图软件最终可获得剖面的二位电阻率模型。数据处理流程见图2。

图2 EH-4电磁成像系统数据处理流程

4 应用实例

成渝客运专线新中梁山隧道位于重庆中梁山山脉中部中梁山位于四川盆地的东南部，属嘉陵江、长江侵蚀河谷发育的低山丘陵地区，地形受构造及岩性的控制，在中梁山背斜两翼，可溶岩与砂、泥页岩相间分布，形成北东向延伸的三条平行山脊（山岭）和两条岩溶槽谷（东槽谷、西槽谷）相间的“笔架形”平行岭谷地貌景观。溶蚀形成对称的两个洼地，被当地居民称为东、西两槽谷；侵蚀速度较慢的砂页岩则突起成山。隧道中部分水岭高程达640m；东西两侧槽谷高程480～520m；山脚以外为侏罗系组成的红色丘陵区，高程仅300m左右。左、右线隧道各长4 100m，因隧道埋深大，地表缺水，不可能布置太多钻孔，也无法采用常规浅层物探方法，故采用EH-4大地电磁测深法。勘探的目的在于查清隧道周围的断层、富水带、破碎带，查明隧道的工程地质条件，为安全施工提供必要的物探依据。

图3 新中梁山左线隧道EH-4大地电磁测深电阻率等值线断面

如图3所示，该隧道从D2K290+300～D2K294+400，全长4 100m，受中梁山背斜影响，岩体较破碎，节理较发育，测区岩溶强烈发育。整个工区电阻率主要表现为高阻，仅进、出口段电阻率偏低，结合地质资料可知，主要为泥岩、砂岩和含煤地层电性反应。图中空白区域为高压线干扰区。

图4 新中梁山右线隧道EH-4大地电磁测深电阻率等值线断面

如图4所示，该隧道从YD2K290+300～YD2K294+400，全长4 100m，受中梁山背斜影响，岩体较破碎，节理较发育。洞身附近电阻率等值线分布凌乱，高、低阻团块，条带相互交叉，低阻团块下凹畸变严重。围岩总体极破碎、极软弱,溶强烈发育。

5 结 论

以成渝客运专线新中梁山隧道勘探工程的应用为例，可以很好地说明EH-4在复杂地形地质条件下可以取得良好的勘探效果。对隧道通过区域周围的断层、破碎带和富水带进行超前的宏观预测，这除了方法本身的优势外，也要依赖于野外操作中对质量的严格要求和室内处理中一丝不苟的专业精神。由于EH-4不能提供掩体的电阻率，局部区域具有多解性（低阻不一定就是破碎岩性的反应，也有可能是由于高压线，民用电线等客观因素干扰的反应），工作中应尽量采用多种物探手段，并结合钻孔加以验证。

随着EH-4大地电磁测深法勘探精度的不断提高，在1～1.5km范围内能够发现电阻率差异较大的高、低阻异常体，是长大深埋隧道勘探中的一种行之有效的手段，值得推广应用。

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The Application of EH-4 Electromagnetic Imaging System in the Exploration of High Speed Railway Tunneling Engineering

MO Yi-ke
(Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

This article presents the mechanism,features,working principles and data processing methods of EH4 Electromagnetic Imaging System.The application of that system in the construction of new Mount Zhongliang tunnel in Chengyu Expressway has provided a convincing example to illustrate that EH4 Electromagnetic Imaging System is an effective approach for macro forecast in detecting weak belts,groundwater and fault fractured zones.

Electromagnetic Imaging；tunneling；high speed railway；project exploration

U452

A

1673-1980（2011）06-0154-03

2011-08-29

莫亦可（1987-），男，四川阆中人，成都理工大学地球物理学院在读硕士研究生，研究方向为电磁成像。