浅析瞬变电磁法在高速公路隧道的不良地质探测中的应用

李建文

（1.太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024；2.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

浅析瞬变电磁法在高速公路隧道的不良地质探测中的应用

李建文1，2

（1.太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024；2.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

运用瞬变电磁方法在某高速公路勘察线路上进行探测，以查明隧址区不良地质发育情况为勘察单位提供隧道线位地质的依据，。通过对采集数据的详尽分析，查出不良地质存在的准确位置，判读结果与钻探资料完全一致。

瞬变电磁法；隧道；不良地质

1 工程概况

探测区位于隧址区中间地段，最大相对高差270 m左右，区内呈现黄土冲沟区、黄土梁峁区、岩溶中低山区等地貌单元，地层岩性简述如下：

出露地层由新到老为第四系全新统、上更新统马兰组和峙峪组、中更新统离石组，上第三系静乐组、保德组，石炭系中统本溪组，奥陶系中统峰峰组，上马家沟组。探测隧址区主要主要出露上奥陶系上马家沟组中段和上段地层。中段以一层深灰色角砾状灰岩为底界，为一套灰-深灰色厚层状豹皮状灰岩夹深灰色中厚层状石灰岩的岩性组合。上段以一层厚约0.3m的浅灰黄色钙质页岩为底界，为一套浅灰色中厚、厚层状豹皮状灰岩、灰-灰黄色薄-中厚层状泥质白云岩、浅灰色厚层状石灰岩及灰色中厚层状含白云质灰岩的比较复杂的岩性组合。

2 工作原理及方法技术

2.1 瞬变电磁法工作原理及方法技术

2.1.1 瞬变电磁法的原理及其特点［1］

瞬变电磁法属时间域电磁法，利用了电磁感应的原理，以脉冲电流的形式向地面铺设的发送回线供电。当发送回线中通以稳定电流时，在感应地质体中产生稳定的一次磁场；在电流关断的瞬间，一次磁场突然消失，感应地质体内部由于磁通量的变化而感生出涡旋电流，并进一步产生了与一次磁场方向相反的二次感应磁场。这样的过程交替循环，形成了向下传播的能量逐渐衰减的电磁场，由此形成的场称为瞬变电磁场。在瞬变电磁场衰变期间，二次场随时间的延迟而不断减弱；涡流随时间的推移渐渐向深部扩散，同时向外扩散的距离不断增大。瞬变场的延迟时间特性与地下地质体的几何参数及电性参数有关。良导地质体的规模越大、导电性越好，瞬变场的强度就越大、衰减越慢、延迟时间就越长；反之则瞬变场的强度小、衰减快、延迟时间短。根据理论公式可知，发射回线中心磁场的大小与地层的电阻率之间存在一定的函数对应关系。因此，通过观测随时间衰变的磁场便可以测出电阻率随深度的变化。

瞬变电磁法能够探测出隐伏的断层及破碎带，具有在山区工作受地形影响小，勘探深度大，分辨率高等特点。

2.1.2 数据处理方法

瞬变电磁法资料处理由野外工作和室内工作两部分组成。野外工作完成数据的采集、现场数据初步处理和初步解释等项任务；室内工作完成数据的综合处理、成图成像和人机交互解释等项任务。室内数据处理是对获取的原始数据进行去伪存真、误差矫正、均滑处理、趋势分析和成图成像所做的加工处理工作，目的在于提高勘测结果的准确度和精度，使之更趋于实际。

2.2 测线的布置及工作参数的选择

2.2.1 仪器装置及参数选择

采用15m×30m和5m×10m“∞”字形两种线框装置，发收线圈都为4匝。该装置抗干扰能力强，工作效率高，探测深度约为200m～300m。技术参数的选择:

1）15 m×30 m：发射周期 T=40 ms（1～21取样道），下降沿 Dn＝200μs，延迟时间 De=450μs，采样时窗范围0.25 ms～34.103 ms，叠加次数St=256次，供电电流7A～8A左右。

2）5 m×10 m：发射周期 T=20 ms（1～17取样道），下降沿 Dn＝150μs，延迟时间 De=300μs，采样时窗范围0.15 ms～15.8983 ms，叠加次数St=256次，供电电流7A～8A左右。

2.2.2 测线布置

隧道硐身：沿隧道硐身轴线布置2条测线；隧道进硐口及出硐口：测线布置为沿进硐口和出硐口布置测线3或4条；隧道浅埋区域：布置3条垂直隧道轴线的横测线。见图1。

图1 隧道物探勘察测线布置图

3 地球物理条件及物探成果解释

根据瞬变电磁法数据处理得出的拟断面图，结合地质调查，辅以附近的钻孔资料可知，表覆土由于结构松散、含水量变化较大，其视电阻率在水平方向有很大的变化，从几至几十Ωm不等。基岩出露地区，表层电阻率呈现中高阻。完整白云质灰岩、灰岩视电阻率呈现相对高阻。泥质白云岩、泥质石灰岩呈现相对较高阻。构造破碎带因其含水量不一，其视电阻率也不一，视破碎带含水量多少而定，但都显示为相对较低电阻率。因高风化岩石层含有一定量裂隙水，与其上覆粘土和粉质粘土电阻率相近，都表现为相对低阻［2］；尤其是高风化泥质灰岩呈现出与上覆土层相近电阻率。全—强风化灰岩和中风化灰岩相比视电阻率呈现低阻，存在较大视电阻率差异，可以藉以分清全—强风化与中风化基岩分界面。不同岩性和构造的电阻率存在差异，是这次探测的地球物理前提。

根据以上综合分析解释，隧道进、出硐口和硐身各段强风化层厚度及构造破碎带或裂隙密集带描述如下：

1）隧道进硐口：电阻率剖面土中，8 m～12 m左右处存在低阻带状分布，为地表潜水带表象。在深30 m和70 m，存在的低阻圈闭，表面存在局部滞水区隧道围岩呈松软结构，隧道埋深在潜水面以下。

2）第Ⅱ段约为1.1km：该段隧道埋深以下，存在A1、B1中高阻异常区，异常区内有低阻间断。根据地质调查与钻孔资料，推断为上新统残积物红粘土薄层，上覆于上新统保德组钙质胶结砾岩及粉砂岩互层之上。上新残积物红粘土为隔水层，下覆砾岩呈现中高阻。此段隧道围岩以第四系中更新统离石组、上更新统马兰组黄土为主；离石组黄土以棕黄色粉质粘土为主，局部夹薄层钙质结核层及砾卵石透镜体，局部砾卵石透镜体胶结成砾岩。

3）第Ⅲ段约为0.7km：该段隧道通过范围，强分化层与中风化层视电阻率分界面不明显，根据地质调查与钻孔资料推断：此段基岩含泥质，强风化层与中风化泥质灰岩都表现相对较低视电阻率区域；隧道围岩以全风化-强风化奥陶系下马家沟组二段灰岩以及灰岩与土交接面上破碎混合类角砾土组成，强风化层厚度在100m左右。在强风化带下为中风化基岩，其为奥陶系下马家沟组二段灰岩以中厚层状灰岩、厚层状含泥质条带灰岩夹数层泥灰岩组成。

4）第Ⅳ段约为2.6km：该段为隧道硐身，此段强风化层与中风化层电阻率差异明显，强风化层推测为50m～100m。此段范围存在多处低阻异常，推断为隐伏断层或破碎带。第Ⅳ段起点80m处，左右电阻率差异很大，推断为小断层F1或灰岩与强风化泥质灰岩接触带造成。在隧道左硐9处，隧道右硐5处，存在低阻异常，为隐伏断层或小破碎带表象。根据地质调查资料与钻孔资料推断：隧道围岩以隧道围岩以中等强度奥陶系下马家沟组二段灰岩、泥灰岩组成，奥陶系下马家沟组二段灰岩以中厚层状灰岩、厚层状含泥质条带灰岩夹数层泥灰岩组成，多出隐伏小断层破碎带或裂隙发育密集带存在。水文地质类型为岩溶裂隙水与断层裂隙水。

图2 物探勘查解释成果图

图3 物探勘查电阻率断面图

5）第Ⅴ段约为1.1 km：该段此段强风化层与中风化层电阻率差异明显，推测强风化层为50 m～100m，硐口段围岩风化及溶蚀严重，岩体破碎。基岩电阻率呈相对较高与较低电阻率带状间隔分布，推断存在小隐伏断层破碎带或裂隙密集带。根据地质调查资料与钻孔资料推断：隧道围岩以全—强风化奥陶系下马家沟组二段灰岩、泥灰岩组成，奥陶系下马家沟组二段灰岩以中厚层状灰岩、厚层状含泥质条带灰岩夹数层泥灰岩组成；多出小断层破碎带及裂隙发育密集带存在；水文地质类型为岩溶裂隙水及断层水。

物探勘查解释成果图，见图2。物探勘查电阻率断面图，见图3。

4 工程地质评价及建议［3］

1）隧址区地形地貌条件比较复杂，存在黄土冲沟区、黄土梁峁区、河谷区、岩溶中低山区四个地貌区域，地形起伏局部较大，植被较发育；经构造运动，岩石节理裂隙较发育，岩体较为破碎，工程地质条件属复杂类型。

2）在整个隧址区，出硐口以及构造破碎带或裂隙密集带处，岩层破碎，岩体溶蚀发育，其隧道围岩类别为Ⅱ类，在隧道开挖过程中围岩极易坍塌。

3）区内推测的构造破碎带瞬变电测资料，后经钻孔勘察验证核实，与解释结果吻合。

［1］朴化荣.电磁测深法原理［M］.北京：地质出版社，1990.

［2］吴璐苹，石昆法，李荫槐，李松浩.可控源音频大地电磁法在地下水勘查中的应用研究[J].地球物理学报.1996，05.

［3］张树军.隧道施工常见不良地质及处理方法［J］.山西交通科技，2005（3）：70-72.

Application of Transient Electromagnetic Method(TEM)in Poor Geological Zone Detection in Expressway Tunnels

LI Jian-wen1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024;2.Shanxi Province Research Institute of Communication,Taiyuan Shanxi030006)

Transient electromagnetic method (TEM)is used in line survey of one expressway to ascertain the poor geological development situation of tunnel zones,which can provide geological information there.By thorough analysis on the data,the accurate position of poor geologic zone is determined,which is in accordance with the real drilling information.

transient electromagnetic method(TEM);tunnel;poor geology

P631.3+25

A

1672-5050（2011）03-0069-03

2010-12-07

李建文（1977—），男，宁夏平罗人，在读工程硕士研究生，工程师，主要从事高速公路隧道病害处治研究工作。

刘新光