综合物探方法在某过江隧道工程勘察中的应用研究

刘宏岳，林朝旭，林孝城，黄佳坤

(福建省建筑设计研究院，福州 350001)

0 引言

近年来，随着工程物探方法和理论的不断发展，其应用领域不断扩展，尤其是在水域工程勘察领域，工程物探技术由于具有许多其他勘察方法不具备的优点，在水域工程勘察工作中有了较长足的发展［1-4］。

在水域工程勘察常用的工程物探方法中，地震反射波法是首选勘探方法，在探查水下地形、覆盖层分层、基岩面起伏及地质构造情况等工程实践中取得了较好效果［2-4］。在水深较浅，水底介质较硬的地方，由于水底多次波很严重，下覆地层的有效信号弱，地震反射波法难以得到理想的效果。

以高效率、高速度、高精度、高一致性和高信息量为特征的高密度电法，因其具有测深和剖面双重功能，所以在工程勘察中被广泛应用。高密度电法二维地电断面能较为直观地反映基岩界线，也能较详细地了解与围岩存在电性差异的断裂构造的发育情况［5-7］。在陆地上，高密度电法在我国的陆地水文、工程、环境的地质调查中已广泛应用并取得了长足的发展［8-10］;在水上，国内的专家学者近年来已从理论上说明了水域电法开展的可能性［11］，高密度电法在水域工程勘察领域也逐渐开展起来［4-5，7］。与陆地相比，淡水域高密度电法有自身优势:①电极所处环境均匀稳定，电极噪声小;②地表一致性好，接地电阻基本一致。电极接地不好与地表一致性差均可能产生假异常，给电法成果解释造成困难。

目前，大地电磁测深(MT)已成为一项成熟的技术，在深部地质与区域地质调查、水文地质和工程地质等领域都取得了显著成效［6，12］。由于MT法是利用频谱丰富、能量巨大的天然场源，具有很大的探测深度，且成本低，对环境无污染，在水域工程勘探中是一种快速有效的探测手段。

由于地球物理方法的多解性，也需要用基于不同物性参数的方法互相补充，相互约束，提高解释的可靠性。综合物探能够有效地克服单一物探方法自身存在的多解性，在同一个点或同一测线上，根据工程的地形、环境、地质复杂程度和勘测阶段的不同技术要求优选2种以上方法进行综合物探勘察，有利于物探资料解释的相互印证与综合分析，有利于提高资料的解释精度和可靠性，有利于提高物探的应用效果和作用。

某过江隧道工程为盾构掘进江底隧道，分为南北线近平行的双洞隧道，江面长度约1 km，水底介质为粗砂或圆砾土，均为硬质土，基底为板岩、泥质粉砂岩和砾岩。采用盾构法施工，前期勘察阶段发现有岩层不整合面等不良地质现象，这些不良地质体将对盾构掘进的安全施工及工期控制产生较大的风险，因此，在盾构掘进前，应尽可能地探查清楚掘进区域不良地质体的赋存情况，以便尽早采取措施进行清除或制定穿越该处的方案。物探探测方案以勘察隧道掘进面范围内是否存在不良地质体为主，对断裂构造或破碎带、岩体不整合面、不同风化程度的岩体进行判识，划分盾构掘进不良地质的性质、边界位置与埋深。针对本工程的勘察要求、目的及特点，选用了地震反射波法、高密度电阻率法和大地电磁测深法3种物探方法进行现场试验，进而采用有效的物探方法组合，为地质勘察服务。

1 地震反射波法探测

图1为地震反射波法场地适应性试验时间剖面图。由图1可见，地震反射波法由于水底多次波非常严重，难以得到有效的地层信号，但所得水底起伏数据可用于电法、电磁法的地形校正。

图1 过江隧道地震反射波法时间剖面图(双程时间)Fig．1 Rround trip time profile of seismic reflection wave technology in geophysical prospecting of river-crossing tunnel

2 淡水域高密度电法探测

2．1 淡水域正反演模型计算研究

在方法可行性方面，首先采用正演模型对测区地电场特征进行模拟。采用瑞典ABEM公司的RES2DMOD软件进行了模型试验，RES2DINV软件进行模型数据反演计算。由前期工程勘察所得电阻率测井资料可知，在该地区开展高密度电法工作的地球物理前提条件是较为成熟的，借此假设江水的电阻率为40 Ω·m，基岩的电阻率为200Ω·m，并将测区可能存在的构造破碎带的电阻率假定为60 Ω·m。根据测区实际水深情况，水深取江水平均值6 m，采用温纳装置。

图2(a)为地电正演模型，(b)为正演视电阻率拟断面，(c)为反演模型电阻率断面，由图2可以看出，反演结果与模型对应较好，温纳装置对6 m水深下的构造破碎带反映良好。

2．2 高密度电法测试成果

本次现场数据采集主要参数设定如下:1)装置类型为温纳和施伦贝尔;2)电极数60根;3)电极距8 m;4)剖面数16层;5)供电电压270 V。测量时使用一艘工作船抛锚固定在排列中间位置附近，测站位置上安放测量仪器，用小船利用RTK定位布置排列电缆线。

工区沿隧道边线完成了4条测线共4 km左右的高密度直流电阻率法测量，测线编号依次为S1，S2，N1及N2，均取得了良好的效果。每条测线都使用了温纳和施伦贝尔2种装置。

根据高密度测试成果与已有钻孔资料的比对分析，总结出各岩土层与视电阻率的对应关系表(见表1)。依据各岩土层与视电阻率值的对应关系，结合测线附近钻孔资料及其他物探测试成果，追踪出强风化岩与弱风化岩顶界面，并绘制成综合物探成果解释图(见图3和图4)。

表1 岩土层与视电阻率的对应关系表Table 1 Relationship between rock/soil strata and apparent resistivity Ω·m

图4 S1，N1和N2线高密度电法电阻率等值线断面图Fig．4 Apparent resistivity pseudosection in high density resistivity method along line S1，N1 and N2

由图3(a)可看出岩土层电性呈层状分布，电阻率自上而下逐渐变大。电性层可分为3层结构:表层视电阻率10～45Ω·m(蓝色色标)为粗砂、粗圆砾土;中部视电阻率40～140 Ω·m(浅蓝-黄色色标)为强风化板岩;下部视电阻率85～350 Ω·m(黄色-红色色标)为中风化板岩。隧道沿线共存在4个低阻异常区，其中里程桩号SK6+925～SK7+010段存在一个明显的低阻异常带，该异常阻值低，宽度长，垂向延伸大;参考测线附近JZ-16与JZ-17钻孔资料，基岩为泥质粉砂岩或砾岩，而异常两侧均为板岩;综合各方面资料分析，推断该处为构造破碎带。SK6+451～SK+502、SK6+627～SK+680及 SK7+204～SK+270段低阻异常级别低、纵向延伸短，结合钻孔资料分析，推断异常反映局部岩体破碎、节理裂隙发育、风化厚度大，为风化槽。由图3(b)可看出，根据物探成果推断划分出岩层界面(强风化与弱风化顶界面)在深度位置、起伏趋势方面与临近地质钻孔纵断面基本一致(隧道工程勘察一般将钻孔布置在隧洞纵线两侧附近，而电法测线S2布置在隧道纵线上)。

S1，N1和N2 3条测线也各自发现几处低阻异常区，从图4中可看出，这3条主测线各存在4个异常区，虽然异常形态特征略有不同，但各异常区一一对应，说明这些异常确实可靠，反映了实际地质情况。物探成果推断的1条构造破碎带与3个风化槽均已被钻孔证实。

3 大地电磁测深法探测

3．1 测区场源特征分析

由于城市的人文活动，经试验测区(测区位于市区)电场和磁场在公认的1 000～10 000 Hz段的能量比远离市区的郊区高出了一个数量级(见图5)，证明在该工区开展大地电磁测深法探测，场源能量是有保证的。图5中XYLD为远离测区的郊区测得的电磁场功率谱，XXJ-1和XXJ-2为测区2个测点上测得的电磁场功率谱。

本测区大地电磁测深法只采集高频部分750 Hz～92 kHz共22个频点的天然信号，不使用发射机，并且只采集水平分量的电场和垂直分量的磁场。参考电阻率测井资料，测区各种岩性电阻率为几十至一百多Ω·m，根据勘探深度式(1)计算得到探测深度范围为几m至一百多m，能够满足该测区的勘探要求。为了确保方法的可行性，在测量之前进行了正反演模型计算研究。

式中:δ为勘探深度;ρ为地层平均纵向电阻率;f为电磁波频率。

3．2 大地电磁测深法正反演模型计算研究

图6(a)为正演计算模型，同高密度电法地电模型建立准则，假设江水的电阻率为40 Ω·m，基岩的电阻率为200 Ω·m，并将测区可能存在的构造破碎带的电阻率假定为60 Ω·m。反演时只选取TM模式(水平分量的电场和垂直分量的磁场)的电阻率和相位进行反演，与实际测量一致。图6(b)为TM模式反演结果，反映构造破碎带效果明显，只采集水平分量的电场和垂直分量的磁场进行构造破碎带勘测确实可行。

3．3 测试成果

本次勘探是采用美国EMI公司和Geometrics公司联合推出的新一代电磁仪EH-4型StrataGem电磁系统，StrataGem电磁系统可以在10 Hz～92 kHz的宽频范围内采集数据，能观测到离地表几至1 500m内的地质断面的电性变化信息。根据勘探深度要求，工区内选择3频组，750Hz～92kHz频段22个频点，工作装置选用标量测量方式，将电极放置于船头船尾，磁棒垂直于电场测量。考虑到金属船体可能造成的影响，使用小木船，将所有仪器设备安放在小木船上，测量电极放在船头船尾，磁棒垂直于电极方向放在船上。

测区沿隧道边线共进行4条测线共4 km左右的高频大地电磁法测量。图7为4条测线的高频大地电磁电阻率断面图，图中各剖面在里程K6+850～K7+000段低阻带明显，判断为构造破碎带，与高密度电法4条测线的解释结果基本一致，2种方法相互佐证，解释成果具有较高的可靠性，可为隧道建设进一步的施工提供重要支持。

4 结论与讨论

实践证明，在水域工程物探中，在场地地球物理条件不适合的情况下，采用以高密度电法和大地电磁测深法为主的综合物探在过江隧道工程勘察中取得了较好的效果，对类似工程有借鉴意义。在具体实践过程中，有以下几个方面值得注意。

1)水域工程勘察领域，地震反射波法是首选方法，但是在本次工程实践中，由于水底多次波严重，难以得到下覆地层的有效反射信号，地震反射波勘探效果不理想，而水底多次波问题历来是水域地震勘探的难点与重点，水底多次波的衰减理论仍在不断发展之中，目前国内外尚无一种方法能够有效完全消除水底多次波的影响。

图7 S2，S1，N1和N2线大地电磁测深视电阻率等值线断面图Fig．7 Apparent resistivity pseudosection in magnetotelluric sounding method along line S2，S1，N1 and N2

2)工程实践表明淡水域高密度电法在探查构造低阻异常地质体效果明显，但在划分岩土层界线方面，淡水域高密度电法的分辨率稍有不足，这同样也是陆地高密度电法半定量解释的局限性。

3)大地电磁测深探测成果表明城市电磁场能量要比郊区高一个数量级以上，大地电磁测深法在城市测区场源能量是有保证的，并在测区探测构造等低阻地质体方面取得了良好的效果，对类似工程有指导意义。

4)经过现场试验及数据初步处理可知，工区内地震反射波法因水底多次波过于严重，故不适用于本工程;淡水高密度电法与大地电磁测深法探测均取得了良好效果，互相比对，综合分析，能较好地探查构造低阻异常地质体，提高了勘探成果可靠度。

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