高频大地电磁法及瞬变电磁法在隧道勘察中的应用

汤井田， 李鹏博， 肖 晓

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083； 2.中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室, 长沙 410083)

高频大地电磁法及瞬变电磁法在隧道勘察中的应用

汤井田1,2， 李鹏博1,2， 肖 晓1,2

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083； 2.中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室, 长沙 410083)

隧道前期地球物理勘察工作，主要是对路线附近的隐伏不良地质体发育情况以及其附近岩溶或采空区进行探测，高频大地电磁法具有不受高阻屏蔽层、探测深度大以及效率高等特点，同时结合瞬变电磁法对低阻体反应灵敏等优点，综合运用这些物探的方法能够有效地提高对目标区域的勘探问题的识别能力。探讨了高频大地电磁法(EH-4)及瞬变电磁法(TEM)的工作原理及探测效果，并通过这两种方法在福建某铁路隧道勘察的应用，分析及总结了两种方法在隧道勘查中应用的可行性及有效性。

高频大地电磁法； 瞬变电磁法； 隧道勘查

0 引言

在铁路建设中，隧道的修建极为常见且重要，而隧道所处位置一般位于地形复杂的山区。在铁路及公路隧道挖掘过程中，常遇到充泥充水溶洞、采空区及其他不良地质体，这些不良地质体可能造成施工过程中的塌方等突发事件，是重大的安全隐患[1]。为了在隧道施工过程中减少坍塌等事故的发生，在隧道施工前需要查明附近地质体的信息，以利于采取必要的措施对不良地质体进行处理，保证施工安全和工程质量。在隧道前期地球物理勘查中常用方法有高密度电法，探测精度高，但探测深度浅[2]；浅层地震法容易受到地表层多次反射波的影响且受地形影响大[3]；地质雷达受地形的影响大且探测深度浅[4]；高频大地电磁法(EH-4)具有对复杂地形适应性强，效率高，不受高阻层屏蔽，探测精度高等优点[5-7]。瞬变电磁法具有纯二次场观测，对低阻体敏感，受地形影响小等优点[8-10]。由于隧道勘察区域需要探测的深度较大以及周边地形起伏等因素，笔者将高频大地电磁法(EH-4)以及瞬变电磁法,应用到福建某隧道前期地球物理勘察中，两种方法互相补充、相互验证，以达到勘察隧道周边区域地质情况的目的。

1 工作方法与技术

1.1 高频大地电磁法(EH-4)

高频大地电磁法(EH-4)原理是基于传统的MT法，但其利用的频率较高[11-13]，频带范围为10 kHz～100 kHz。以天然场源为主要场源，一般情况下利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源(又称一次场)，该场源是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，它与一次场是同频率的，引入波阻抗Z。在均匀大地和水平层状大地情况下，波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值。

(1)

由式(1)求得电阻率如式(2)、式(3)所描示。

(2)

(3)

式中：f是频率(Hz)；ρ是电阻率(Ω·m)；E是电场强度(mV/km)；H是磁强度(nT)。

此时的E与H，应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场，简称总场。一般来说，频率较高的数据反映浅部地层电性特征，频率较低的数据反映较深地层电性特征。因此，在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，可由视电阻率与相位分析介质的地电特征和构造。

1.2 瞬变电磁法(TEM)

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods，TEM或TDEM)，其探测原理是利用不接地线圈 (或称回线 )向地下发射一次瞬变磁场, 通常是在发射线圈上供一个电流方波，可在地下产生稳定的磁场分布, 在方波下降后沿下降的瞬时产生一个向地下传播的一次场, 在一次场的激励下地下介质体将产生涡流, 其大小取决于地下介质的导电程度。该涡流不能立即消失, 它将有一个过渡过程产生的二次磁场向地表传播, 在地表接收线圈把二次磁场的变化转化为感应电压的变化[14-15]。该二次场的变化由于是在没有一次场背景下观测的纯二次场，因此可以直接、有效地反映地下地质体的电性分布情况。

2 数据采集与处理

2.1 高频大地电磁法(EH-4)

本次探测采用的EH-4电导率成像系统，能观测地表几米至一千米内的地质断面的电性变化信息。为了满足探测深度的要求，采集频率为10 Hz～99 KHz, 低频段、中频段、高频段依次测量，中频段与高、低频两个频段存在频率叠加。为保证数据质量，降低随机噪声干扰，采集过程选择的叠加次数为10次。电极距设计为20 m，根据实际情况(地形、障碍物等因素)适当改变极距大小。磁棒距离前置放大器大于5 m，为了消除人文因素干扰将两个磁棒埋在地下5 cm以下，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。数据采集过程中通过各频点相位，相关度的大小控制数据采集质量。

EH-4电导率成像系统野外采集的时间序列的数据进行预处理后，再现场进行FFT变换，获得电场和磁场虚实分量和相位数据，对每一个测点进行编辑，舍掉畸变的频点，保留高质量的频点数据[16-17]。进行一维BOSTICK反演，将频率转换为深度。在一维反演的基础上，进行二维带地形反演，使用surfer软件绘制电阻率等值线图。

2.2 瞬变电磁法

本次隧道勘察中瞬变电磁法勘探使用加拿大凤凰公司研制的V8多功能电法数据采集系统。综合瞬变电磁法技术原理与探测要求，选择大回线装置，发射线框为200 m×200 m,接收框为10 m2磁线圈，发射频率为5 Hz，发射电流为15 A～20 A。框内回线装置存在边框效应影响，为消除其影响，通过理论计算及实验，最终确定接收起始位置为发射框边长1/3，将有效抑制边框效应影响。

将原始数据由瞬变电磁仪中存储的数据格式，经过专用程序处理转化为计算全区视电阻率可用的特定数据格式，并剔除干扰畸变点。根据实测电位衰减时间响应曲线,换算成视电阻率的时间曲线，一般可采用晚期场定义的视电阻率公式(5)计算。

(4)

(5)

其中：t为测道时间；M为发送磁矩；q为接收线圈的有效面积；V(t)为感应电压；对视电阻率进行反演解释(时深转换)，将ρτ(t)曲线转换成ρτ(h)曲线；ha表示视深度；ρ为电阻率值；t为记录时间；μ0为磁导率,最后进行视电阻率断面图、视电阻率平面图等图件绘制。

3 隧道勘察实例

3.1 工程概况

探测区域位于福建省龙岩市新罗区杨梅坑煤矿区内，矿区处于龙岩山字型构造脊柱北段区段，同时受纬向构造带及放射状横张断裂影响，断裂构造与褶皱构造发育，岩体节理、裂隙发育，山间凹地两侧多形成裂隙密集带，褶皱、断层构造。受区域构造的影响，隧址区共发现断裂构造8条、2处岩层接触带和4处侵入接触带，构造特征以挤压破碎、蚀变破碎、裂隙带为主。

根据已有资料了解到在此区域内存在煤矿采空区，若采空区没有即时进行工程处理，其上覆岩层有时因为失去平衡而脱落，从而此区域岩层的连续性破坏，其电阻率值必然会产生相应地变化。采空区的异常表现各异，一般在采空区处电阻率会高于周围完整岩石的电阻率；若采空区充水或填充泥质物质时，则表现为低阻；充填块状岩石时表现为高阻。

3.2 高频大地电磁法(EH-4)及瞬变电磁法解释

数据解释主要结合异常体在高频大地电磁法(EH-4)及瞬变电磁法中的特征表现与实际的地质资料进行分析，判别异常区主要是根据电阻率值变化及电阻率等值线的形态等综合因素考虑。图1和图2分别为勘察区域内3号测线上的高频大地电磁法(EH-4)视电阻率反演剖面图和TEM视电阻率反演剖面图。根据已知地质资料，该测线横跨煤矿第三区块内已知采空区。受采空区及煤系地层的影响，由图1可知，测线断面整体电阻率偏低；0 m至400 m间地表以下几米至一百米以内存在相对高阻层，视电阻率在视电阻率在50 Ω·m～300 Ω·m；高阻层之下有明显的电性梯度带，电阻率从几十欧姆米到几欧姆米，推测该电性梯度带为充水采空区的顶部界面，底部界面约在340 m～400 m。由图2可以看出，该剖面中间标高440 m～560 m之间有个形态清晰、电性差异明显的低阻异常，推测该低阻异常为富水的采空区的电性反映。

综合高频大地电磁法(EH-4)与瞬变电磁法的结果，两者均观测到地表附近电阻率较高，这与地表覆盖电阻率较高的第四纪粉质黏土及碎石相一致。对于采空区均呈现低阻异常显示，推测为煤矿采空区充水所致，两种方法的结果对于顶、底界面的范围总体一致，且与已知的采空区的资料相吻合，两种方法相互补充，相互验证，对采空区探测进行了准确地评价。

图1 3号线高频大地电磁法(EH-4)反演剖面图Fig.1 No.3 survey line the inversion profile Figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

图2 3号线瞬变电磁法反演剖面图Fig.2 No.3 survey line the inversion profile figure of transient electromagnetic method

图3 1号线高频大地电磁法(EH-4)反演剖面图Fig.3 No.1 survey line the inversion profile figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

图3为1号线高频大地电磁法(EH-4)视电阻率反演剖面图，从图3中可以看出，320 m附近存在明显的电性差异，结合已知地质资料推断该处为二叠系下统文笔山组(P1w)与童子岩组(P1t)的地层分界面，在电性上，右侧童子岩组(P1t)整体表现为低阻特性，左侧文笔山组(P1w)表现为相对高阻特性。在高程大于450 m的地层中，320 m～800 m区段整体视电阻率比较低，受煤层采空区的影响，局部呈现一个明显的低阻区域，在这个低阻区域附近有煤矿开采的迹象，该低阻很有可能与其形成的富水采空区有关；0 m～300 m区段深部呈现高阻的特性，浅表受第四系覆盖层及地表岩石风化影响，呈现低阻的特性。图4为2号线高频大地电磁法(EH-4)测深视电阻率剖面图，从图4中可以看出，360 m处附近存在明显的电性差异，形成了高阻与低阻的分界面，结合此区域已知地质资料推断此界面为二叠系下统文笔山组(P1w)与童子岩组(P1t)的地层分界面。0 m～360 m整体电阻率相对较高，推测岩石较为完整；360 m～800 m区段电阻率较低，主要是童子岩组以石英砂岩，局部夹煤层，其中500 m和720 m处存在两个相对低阻，结合已知地质及煤矿开采资料综合分析，推测为富水的采空区及巷道。

图4 2号线高频大地电磁法(EH-4)反演剖面图Fig.4 No.2 survey line the inversion profile figure of high frequency electromagnetic(EH-4)

4 结论

通过上述在福建某隧道应用煤矿采空区实验，证明了高频大地电磁法(EH-4)及瞬变电磁法的前期勘察结果可靠，这两种方法对于采空区探测的应用效果良好，探测的结果能够很好反应出采空区的位置，并表明在采空区的位置呈现出低阻区，说明隧道区域的采空区存在充水现象。

隧道区域煤矿采空区的很多地方由于充水呈低阻反映，瞬变电磁法对低阻体反映灵敏，因此瞬变电磁法对于充水区采空区探测有独特的优势；EH-4电导率成像系统效率高，效率相对其他勘探方法较高。两种方法探测深度相对较大，在中深度采空区探测时二者可以相互结合，相互验证，提高对采空区探测的准确性，减少采空区的危害。

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Applicationofhighfrequencyelectromagneticandtransientelectromagneticmethodinthetunnelexploration

TANG Jingtian1,2, LI Pengbo1,2, XIAO Xiao1,2

(1.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083， China;2.School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083， China)

In geophysical exploration for tunnel, the issue is mainly concentrated on bearing conditions of potential unfavorable geological body, karst and mined-out area near the tunnel line. High frequency electromagnetic are characterized by unshielded of high resistivity layers, large penetrating depth and high efficiency. Transient electromagnetic method has high resolution in low resistivity body. Integrated geophysical prospecting method can effectively improve the recognition ability of the target area. This paper introduces the principle and detection effects of high frequency electromagnetic(EH-4) and transient electromagnetic method(TEM). Based on the surveying results obtained with the two methods in a tunnel in Fujian province, the feasibility and validity of the two methods to prospecting tunnel is analyzed and summarized.

high frequency electromagnetic; transient electromagnetic method; tunnel exploration

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.04

2016-09-19 改回日期： 2016-11-09

国家高技术研究发展计划(2014AA06A602)

汤井田(1965-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事电磁场理论和应用、地球物理信号处理及反演成像等研究，E-mail：jttang@csu.edu.cn。

李鹏博(1991-)，男，硕士，主要从事电磁信号处理，Email:csulpb@163.com。

1001-1749(2017)05-0605-07