基于CSAMT和RT法的不良地质条件隧洞勘探技术

刘芃呈，曲兴辉

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳100166）

0 引 言

辽宁省大伙房水库输水（二期）工程输水隧洞段全长29.1 km，为有压隧洞，圆形断面，成洞洞径6 m，水头高约50 m。洞线穿越抚顺市南郊，区内地形复杂。受中等强度构造作用和长期剥蚀切割作用，基岩埋深较浅，风化严重。隧洞于此地貌单元的埋藏深度一般为30～50 m，出口段近2 km处于丘陵区与平原区的过渡部位，平均埋深仅25 m左右，部分地段洞室上部围岩厚度小于2倍洞径。洞室围岩主要为第三系页岩、泥岩、泥质粉砂岩及第四系坡积碎石土，均为软岩。其中岩石以全风化、弱风化为主：全风化岩多呈土状或原岩碎粒与粘土相胶结，岩层产状345°∠33～60°，其走向基本与轴线平行。弱风化岩体较破碎～破碎，局部完整性差，呈薄层～互层状，局部碎裂结构，节理面闭和，平直光滑，洞室开挖过程中易发生涌突水、突泥、塌方等不良工程地质现象，一旦事故发生，将造成巨大的工程损失甚至延误工期。因此，采用先进的地球物理探测技术——可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）和电阻率层析成像（RT）开展地球物理探测工作，以探查隧洞段的断层构造、地下水空间分布特征，同时探查各段的覆盖层厚度、各类岩层分界以及风化程度等等，并结合地质钻孔勘探成果进行相互比对，综合分析和判别，为不良地质段施工方案的制定提供指导。

1 CSAMT和RT探测技术的基本原理

1.1 CSAMT法

CSAMT法是在大地电磁法(MT)和音频大地电磁法（AMT）的基础上发展起来的一种人工源频率域电磁测深方法，它克服了天然场源的随机性和信号弱的缺陷。通过人工接地场源(电偶源)向地下发送不同频率的交变电流，在地面一定范围内测量正交的电磁场分量，计算卡尼亚电阻率及阻抗相位，达到探测不同埋深的地质目标体的一种频率域电磁测深方法。CSAMT原理是将大地看作水平介质，大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波，则在地面可观测到相互正交的电磁场分量为Ex，Ey，Ez，Hx，Hy，Hz。通过测量相互正交的电场和磁场分量，可以确定介质的卡尼亚电阻率值。基于理想自由空间麦克斯韦方程组，考虑电磁波传播法、切向分量和电位的边界条件，可得地下视电阻率公式：

式中：ρ——电阻率；f——频率；Ex——沿x方向的电场强度；Hy——沿y方向的磁场强度。

根据电磁波的趋肤效应理论，导出了趋肤深度公式：

式中：H——探测深度,m；ρ——电阻率；f——频率。

从公式（2）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，从而达到频率测深目的。

1.2 RT法

电阻率层析成像（RT）是从20世纪80年代中期开始发展起来的一种电阻率阵列探测方法，与常规电阻率法相比，其特点是设置了较高的测点密度，仪器利用多路电极转换装置，自动实现多种电极排列和多参数测量，可快速准确地测量地下二维或三维地质体在横向和纵向的电阻率变化。其基本原理是利用地下物质成分的电性差异，电阻率值与地层岩性、孔隙度及其所充填物的性质有密切的关系，通过地表不同电极距的设置可采集到地下不同地点、不同深度的视电阻率，再对蕴含有各种地质体信息的视电阻率值，采用计算机数据处理、解释及成图，从而推演出地质体的大小、形状、分布和构造特征。在非均匀介质中，电位由Poisson积分给出：

式中：j——电流密度；ρ——介质的真电阻率；R——距离电源的距离；V——P点与电源点之间的电位差；Up——P点的电位，右侧［r1］［r2］的二项分别相应于一次场和二次场。问题归结为如何反演公式（3），即由Up求得ρ。

测量系统装置是一种组合式剖面装置，支持14种测量装置。其中α排列（温纳装置AMNB），β排列（偶极装置ABMN），γ排列（微分装置）和联合剖面装置等适用于固定断面扫描测量。像A—M二极法，NM—A单边三极，A—MN—B（施贝1）等装置适用于变断面连续滚动扫描测量。因而，此装置测量与常规电法测量相比较，具有信息丰富、数据量大、野外施工简捷快速等优点，同时还具有较高的横向分辨率和纵向分辨率。

2 CSAMT和RT物探成果解释

为提高物探工作精度，综合CSAMT和RT法优点，采用两种方法同期进行。对新太河段、夜海沟段、朗士段、偏坎子段、英德堡段、英家至刘山段隧洞段6个输水隧洞段进行探测，主要探查输水隧洞主洞线位置地下岩体的工程地质情况，确定其断裂带、富水带的分布状况，以及覆盖层岩土体的风化情况等等。另外，采用CSAMT方法，在刘山水库距离主洞线较近位置的3个剖面布设3条平行测线，目的是探查刘山水库的地下水与隧洞主洞线位置地下水之间的互补连通关系。下文以朗士段为例。

2.1 CSAMT物探成果

综合3条测线反映的电阻率信息，结合地质资料综合分析推断，DK12＋720～DK13＋160段上部覆盖层风化强烈且含水较多，但隧洞埋深较深，风化层破碎含水未影响到隧洞位置，局部地区有风化裂隙延伸穿越洞线，裂隙带含水较少，雨季施工注意顶板渗水现象。DK13＋160～DK13＋290段隧洞位于强风化层中，局部含水较多，风化裂隙发育，注意风化裂隙处破碎岩土体渗水、局部塌方现象。DK13＋290～DK13＋430段隧洞埋深较浅，存在含水破碎带，表层风化层含水丰富，注意大范围塌方、涌突水事故。DK13＋430～DK13＋560段有小型风化裂隙带延伸至洞线位置，风化层含水较多，开挖时注意隧洞顶板渗水现象，雨季施工尤其提请注意。DK13＋560～DK13＋780段隧洞埋深较深，风化层含水对隧洞开挖基本没有影响。

2.2 RT物探成果

根据电阻率反演绘制的剖面图可知，DK12＋900～DK13＋180段隧洞位置岩体较完整，地表覆盖层岩土体风化强烈且含水丰富，但隧洞埋深较深，风化层含水对隧洞开挖影响不大。DK13＋180～DK13＋310段上部覆盖层风化强烈且含水较多，其中DK13＋180～DK13＋270段地表处于低洼河谷区，隧洞位于全～强风化层中，含水较多，开挖时可能出现松散岩土体塌方失稳、渗水等现象，雨季开挖尤其值得注意。DK13＋310～DK13＋400段存在延伸较深的含水断裂破碎带，开挖中极易造成涌突水、塌方事故，是该段异常最明显的区域，建议采取必要的超前支护措施，保证隧洞顺利开挖。DK13＋400～DK13＋850段隧洞位置工程地质条件较好，未见明显异常带穿越洞线位置，其中DK13＋410～DK13＋500段隧洞位于强风化层中，岩体松散破碎，主要由于上部风化强烈产生的风化裂隙延伸至此，含水较少，不会发生大型涌突水事故，注意渗水、局部岩块塌落现象，但范围较小，对隧洞正常开挖施工影响不大。需特别注意的是，DK13＋310～DK13＋400区段，存在的深大含水断裂破碎带，会对隧洞开挖造成严重影响，可能出现岩体塌方失稳、涌突水等现象，施工前需要制定合理的工程措施保证顺利开挖，防止工程事故发生。其次是DK13＋180～DK13＋270段，风化层含水较多，注意渗水较多，雨季尤其值得重视。建议根据实际情况制定合理的措施，防止事故发生影响施工 进 程。DK13＋200～DK13＋250、DK13＋460～DK13＋500位于强风化层中，含水不多，防止松散岩土体局部塌方、渗水现象，雨季施工在低洼河谷地段尤其需要注意，防止沿风化裂隙带出现隧洞顶板渗水现象。除以上区段外，其它地区岩体工程地质条件对隧洞正常开挖施工影响不大。

2.3 CSAMT和RT物探成果

综合分析CSAMT和RT 2种物探方法的反演成果，并结合地质资料和钻探资料推断，DK13＋290～DK13＋400段的含水破碎带，在开挖施工中可能出现范围较大的涌突水、塌方事故。建议工前采取必要的支护措施并选择合理的防排水措施，保证顺利开挖。DK13＋180～DK13＋270段位于全风化层中，含水丰富，注意涌水量大、塌方、以及渗水现象，尤其雨季施工更应注意。DK13＋270～DK13＋310和DK13＋400～DK13＋500隧洞位于强～弱风化层中，上部覆盖层含水丰富，防止沿风化裂隙带渗水、局部岩块塌落现象，雨季施工于低洼河谷地区尤其值得重视。该段其它地区隧洞位置岩体工程地质条件较好，对开挖基本没有影响。该段地质条件较差地段主要位于河谷区，上部风化层较厚且含水丰富，开挖时需引起注意。

3 结 语

选择可控源音频大地电磁法（CSAMT）对大伙房水库输水（二期）工程隧洞段进行地球物理探测工作是可靠的。由于工区多位于低洼河谷地段，风化强烈且含水丰富，此方法对水十分敏感，可以反映出主要的破碎含水区段。CSAMT方法探测深度较深，对目标地质体具有更好的分辨能力。可以从宏观上整体把握整个工区内较大的地质构造带，推断对工程所产生的影响。以上所做结果绘制的地表下150 m深度的电阻率反演剖面图表明，当反演深度超过500 m时，断裂构造不存在，说明该区不存在大断裂构造，对工程影响较大的是由于强风化作用产生的风化裂隙以及局部岩脉侵入引起的破碎断裂。选择电阻率层析成像（RT）方法对隧洞段进行物探工作，此方法的横向分辨率较高，将小的地质结构、构造反映较细致，此方法数据反演可以进行地形校正，图更直观。通过CSAMT方法和RT方法结合应用，可以从宏观和微观2个角度把握工区的总体工程地质情况。2种方法所得结论基本一致，分别从不同的角度反映出不利的地质情况。2种方法的原理不同，相互之间有影响，野外工作时间不同，个别地区反映情况有所不同，可以获知更多的地质信息，并剔除假信息，最终获取的物探信息更准确可靠。