瞬变电磁法在隧道勘察中的应用

马智鹏

（甘肃工业职业技术学院，甘肃 天水 741025）

0 引言

三阳川城市隧道全线地貌属构造剥蚀低中山地貌区与藉河、渭河高阶地交汇部位。工程建设中遇到了很多复杂的工程问题，为了给开挖过程中遇到的滑坡、崩塌、错落、断层、涌水、崩塌等地质风险提供地质依据及有关的地质灾害预报资料，勘察中采用瞬变电磁法对隧道周围的地层岩性、含水层、断裂带进行查明。

1 隧道概况

1.1 地形地质概况

天水地区海拔1000～2100m，山脉较多，地势西北高，东南低。地貌区域分异明显。东部和南部为褶皱，形成山地地貌。北部为沉积黄土层，形成黄土丘陵地貌。中部一部分地区受构造控制，形成渭河地堑，经第四纪河流侵蚀堆积，成为藉河河谷地貌。隧址区地貌单元属藉河、渭河高阶地与构造剥蚀低中山地貌区交汇部位。

隧道区所遇地层主要包括第四系全新统、第四系上更新统、第四系中更新统、新近系和下古生界牛头河群地层，其岩性特征分述如下：

1）第四系全新统（Q4）

①层填筑土（Q4ml）：主要分布于隧道进、出口及隧址区附近居民生活区地段。主要由粉土、碎石、砖块等建筑垃圾组成，杂色，松散～稍密，土质极不均匀。进、出口区堆积厚度3.0m左右。

②层黄土状粉土（Q4al+pl）：主要分布于隧道出口附近的渭河河流的高阶地表层。土质较为均匀，稍湿，稍密，孔隙较发育，岩芯多呈粉末状，局部含有砂质，手捻有明显的砂感。

③层黏土（Q4del）：主要分布于隧道中桩进口和中部山体缓坡表层。该层为老滑坡堆积体，上部呈褐黄色，中下部呈褐黄色夹浅红色，结构松散，稍湿～潮湿，下部为新近系泥岩和黏质黄土的混合体。

2）第四系上更新统（Q3）

④层黏质黄土（Q3eol）：主要分布于山梁和缓坡地带。稍密，稍湿，黄褐色为主，土质较均匀，孔隙较发育，含水量较小，岩芯呈柱状，局部可见钙质菌丝。

3）第四系中更新统（Q2）

⑤层黏质黄土（Q2eol）：主要分布于山梁和缓坡地带。厚度变化大。黄褐色～微红色，中密～密实，稍湿，土质较均匀，孔隙较发育，含水量较小，岩芯呈柱状，局部可见钙质菌丝。

⑥层卵石（Q2al+pl）：该层分布在隧道出口渭河河流阶地黏质黄土下部。厚度为1.90～4.50m。杂色，潮湿～饱和，中密。呈亚圆状，主要成分为花岗片麻岩，粒径大于20mm的颗粒含量占总质量的70%左右，余为砂质及3%左右的泥质充填，颗粒最大粒径约200mm。土质不均，多处夹细砂透镜体。

4）新近系（N）

新近系泥岩位于第四系覆盖层下部，厚度巨大。分布于隧道洞身ZK0+500～ZK2+280段。根据其风化程度划分为⑦-1层强风化泥岩和⑦-2层中风化泥岩。

⑦-1层强风化泥岩（N）：表层3.0m左右呈全风化。青灰色、褐色、棕色等颜色混杂，泥质结构，中厚层状构造，泥质胶结，节理裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状、短柱状，手掰可断，遇水易软化，属软质岩石。

⑦-2层中风化泥岩（N）：青灰色，褐红色、局部呈棕色，泥质结构，中厚层状构造，岩体较完整，岩芯呈长柱状，手掰不易断，锤击易沿节理面断开，节理面可见灰黑色腐殖质，遇水较易软化，属软质岩石。该层泥岩与下伏牛头河群花岗片麻岩呈不整合接触关系。

5）下古生界牛头河群（Pz1nt）

下古生界牛头河群（Pz1nt）下亚群第四层花岗片麻岩：下部为黑云母二长片麻岩夹大理岩及角闪岩；中部为黑云母片麻岩；上部为含拓榴石黑云母斜长石片麻岩夹石英斜长黑云母片岩、含云母石英岩及大理岩等。其总厚度大于2560米。产状210°∠48°，290°∠80°，该层在隧道洞身ZK2+280～ZK3+740 段均有揭露，根据其风化程度，划分为⑧-1强风化花岗片麻岩和⑧-2中风化花岗片麻岩（Pz1nt）。

⑧-1层强风化花岗片麻岩（Pz1nt）：表层3.5m左右为全风化。肉红色夹深灰色，变晶结构，片麻状构造，结构构造受到严重破坏，但局部仍可见母岩碎块，节理裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状，局部短柱状。岩芯采取率较低，约60%。锤击易碎，敲击声闷。工程区内附近露头测的其产状为290°∠80°。

⑧-2层中风化花岗片麻岩（Pz1nt）：深灰色、灰白色，变晶结构，片麻状构造，节理裂隙较发育，岩体较完整，岩芯采取率较高，约85%。岩芯呈短柱状，少量长柱状，最长节长可达1.5m左右，岩质坚硬，敲击声清脆。

1.2 电性特征

工区地表覆盖主要为第四系黄土，下伏基岩主要为强中风化的泥岩和花岗片麻岩，从物性差异分析，工区内地层变化规律为：黄土的电阻率相对较低，往下泥岩电阻率相对于含水性好的黄土地层略高，而花岗片麻岩的电阻率相较区内其他地层最高。故依靠不同岩层间的电阻率差异可以划分出岩性分界面。

而断裂构造的发育会造成地层层位不同程度的错动或者裂隙发育，会导致地层出现含水性增大、导电性良好的特性，显著的低阻电性差异可以帮助判别断裂构造的存在，并划分出破碎带宽度。

2 瞬变电磁法勘探方法及工程布置

本次瞬变电磁法勘探采用中心回线装置，该装置可有效避开地形变化对测量结果的影响，防止外部干扰，确保野外数据采集质量。

根据工作目的和现场条件，选用采集参数为：24V电瓶供电，工作电流10A；发射线框为300m×400m，接收线框面积4m2，选用频率25Hz；采样时间：10ms；测量点距：20m；数据格式：*.Bin。

共完成电阻率剖面1条，剖面长度3320m，相关工作量见表1。

表1 瞬变电磁法工作量统计表

3 成果分析

3.1 地层构造特征

在确定剖面电性特征的基础上，结合场区的地质资料，结合钻孔分析，对反演所得的TEM视电阻率剖面进行地质解释，划分出4个层位，分别为T1～T4，对应地质界面见表2。

表2 地址界面

T1～T3以中低阻为主，厚度和起伏变化较大，隧道两端T3 与T4呈不整合接触，T3整体厚度变化不超过150m；T4以高阻为主，厚度和起伏变化较小；全剖面水平方向电阻率变化均匀，无明显断裂异常。

3.2 与钻探地质报告验证结论

通过钻孔剖面和照物探剖面图对比发现，地层结构变化不大，岩层走向一致，未发现破碎带、软弱层等不良地质，验证了瞬变电磁法的可靠性，适宜在复杂地形条件下的工程地质勘察工作。

4 结论

瞬变电磁法是基于电性差异来划分不同岩性地层、构造破碎带等异常地质体，属于时间域的电磁感应法，因瞬变曲线衰减的快慢与地层或地质体的导电性能有关，根据这一特性利用其异常值区分物探区内的地质构造和水文地质情况。工程实践说明，瞬变电磁法适宜复杂地形条件下的工程地质与水文地质勘察工作，对于规避施工风险和预防施工过程中可能出现的地质灾害具有重要意义。