大地电磁法与地质钻孔法在铁路隧道勘察中的对比分析

2013-04-13王灿为冯彦谦

铁道勘察 2013年5期

王灿为　冯彦谦

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

在铁路隧道勘察中，长大隧道越来越多，并且多分布在植被茂密区、密林区，地质钻探很难到达，有限的地质钻孔对于整个隧道构造、地下水富集程度，以及采空、岩溶等复杂的地质情况难以摸清，必要的物探工作显得尤为重要。大地电磁采集仪器具有轻便、低功耗、多模式作业的特点，是专门为复杂地质、地形条件而研制的地球物理野外数据采集系统，可为地质钻孔的布设提供指导，优化设计，为后期地质施工配合提供围岩分级设计依据。

1　原理

人工源大地电磁法(GDP32)法是20世纪80年代末兴起的一种地球物理新技术，它是针对解决大地电磁法场源的随机性强和信号微弱而发展成的一种人工源频率域电磁测深方法(CSAMT)。CSAMT通过分析地面或井中观测到的，由人工可控制电磁波信号在地球介质中激发的电磁波场数据，达到勘探地球内部导电性结构的目的，其工作频率一般从零点几赫兹到上万赫兹，勘探深度可从地表至地下1 500 m左右。该方法使用功能强大的人工源信号源，与MT相比，更能压制干扰，采集到高品质数据。

基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，I为供电电流强度；AB为供电偶极长度；r为场源到接收点之间的距离。

将(1)式沿x方向的电场(Ex)与(5)式沿y方向的磁场(Hy)相比，并经过运算，就可获得地下视电阻率(ρs)公式

(7)

式中f代表频率。由(7)式可见，只要在地面上能观测到两个正交的水平电磁场(Ex，Hy)，就可获得地下的视电阻率ρs，有人也称卡尼亚电阻率。

又根据电磁波的趋肤效应理论，导出探测深度公式

(8)

式中H代表探测深度，ρ代表电阻率，f代表频率。

从(8)式可见，当地表电阻率固定时，电磁波的传播深度(或探测深度)与频率成反比。高频时，探测深度浅，低频时，探测深度深，可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到频率测深的目的。

2　工程实例分析

某隧道全长3 030 m，最大埋深约430 m。区内存在大量特殊地质问题，人文噪声较强。测区植被发育，地形属于低山、丘陵地貌，沿隧道线位部分地段起伏较大，地形陡峭，地表大多被粉质黏土、砂质黏土、碎石类土、腐殖质等第四系所覆盖；根据地质调查资料，该隧道岩性分别为白垩纪寨下组上段的凝灰岩、侏罗系漳平组下段的粉砂岩夹页岩、志留系花岗岩、白垩系沙县组的钙质或泥质粉砂岩，以及变粒岩等。

野外工作中沿线路中线布置测线，目的是查明隧道洞身范围内的岩性、构造、地下水及其他不良地质情况。使用从美国引进的GDP32-Ⅱ多功能电法仪。在工作开始之前，对GDP32-Ⅱ接收机进行标定，并对标定数据进行核对，确认采集系统稳定可靠；对发射机经过多次严格测试，以保证其发射电流稳定可靠。

根据隧道线路范围，考虑到隧道较长，布置了2个发射源。发射源采用电偶极，每个源的收发距均大于6 500 m。在正式测量之前对每个源位置进行实验，确保采集信号的有效性。

野外工作中一个排列为7个电道，一个磁道，磁道布置在7个电道的中间位置。遇悬崖等特殊情况时减少电道。电场采集使用氯化铅不极化电极，可以有效地降低极差，提高数据采集质量。电极均加水和泥埋好，接地电阻小于2 kΩ。

发射频率范围为32～8 192 Hz，测点点距为25 m，供电偶极AB距为1.0 km，最大发射电流为9 A。经试验，远区场数据从256 Hz开始，工完成有效测点412个，检测点21个，占总工作量的5.1%。

由于隧道较长，我们选取CK100+000～+350段以及CK102+425～+725段大地电磁勘察成果进行说明，CK100+000～+350段大地电磁勘察成果见图1。从大地电磁成果可以看出，该段洞身(白线部分)电阻率以高阻为主，推断洞身在志留系花岗岩地层中穿过，岩石较完整，局部裂隙发育，含水。随后在CK100+270左12 m布设一钻孔1，进行了钻探验证，钻探分层见图1，岩芯照片见图2。

图1　CK100+000～+350段大地电磁勘察成果及钻探分层

图2　CK100+270左12 m钻孔岩芯照片

大地电磁勘察成果揭示：该孔位50 m以上呈现中阻值，50 m以后为高阻值，岩体完整。

钻探揭示：50 m以下除少数段岩芯呈碎块状外，大多较完整，岩质坚硬。

大地电磁成果宏观描述了岩体的完整性及富水情况，为钻孔布设提供了指导。钻探成果验证了大地电磁成果的可靠性，通过大地电磁成果和钻探成果对比，两者揭示的岩性情况较吻合。

CK102+425～+725段大地电磁勘察成果见图3，在CK102+661.5 m左8 m里程段布设钻孔2，钻探分层见图3。

大地电磁勘察成果揭示：该段170 m以上电阻率以低阻为主，推断岩石破碎、含水，围岩较差，在CK102+700以及CK102+475里程处电阻率较低，等值线横向被连续切断，存在较大规模的直立状低阻体，形成明显的电性分界，推断存在断层，记为F2、F3。170 m以下电阻率较高，推断岩石较完整。

钻探揭示：覆盖层厚度为18.4 m，并且18.4～28.3 m为强风化的变粒岩。28.3～169.7 m变粒岩绿

图3　CK102+425～+725段大地电磁勘察成果及钻探分层

帘石化较严重，岩质软，疏松多孔，岩石局部较完整；169.7～170.05 m为断层泥，软质岩石，紫红色，主要成分为透镜状变粒岩岩屑与片状铁泥质，弱风化，质软，易崩解，手可掰开、捏碎。170～245 m岩石为变粒岩，主要矿物为石英，长石，云母，绿泥石等，直径0.1～0.5 mm，细粒变晶结构，块状构造，弱风化，岩质坚硬，锤击声脆，小锤不易击碎，节理裂隙较发育，岩体较完整。