EH4在引调水工程勘察中的应用

安 鑫

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 昌吉 831100)

1 概述

目前我国国内的引调水工程(南水北调第一期工程隧洞最大埋深为1 100 m、滇中引水工程隧洞最大埋深为1 450 m)埋深在300～600 m，埋深普遍较大，对于此类工程的勘察手段比较局限，常规的地震方法勘探深度不够，电法信息比较单一，很难直观判断洞线附近的地层变化情况，而EH4音频大地电磁法则能够较好解决这一问题，EH4法可根据勘测精度要求，合理布置测点，对于异常部位亦可加密测点，测试成果可通过suffer生成等ρs断面图，可以比较直观的判断洞线附近的工程地质与水文地质情况。对于后期的隧洞施工，特别是TBM施工的隧洞[3]，掌子面附近无足够空间进行超前探测试时，通过地表的EH4测试，结合掌子面附近的工程地质情况，经综合分析可为施工方提供掌子面前方工程地质条件判断。

2 方法原理

EH4支持音频大地电磁测深(AMT)和可控源音频大地电磁测深(CSAMT)[4]， 是一种部分可控源与天然场源相结合的一种大地电磁测深系统[5]，其野外采集工作布置示意见图1。

当天然交变电磁场入射大地，在地下以波的形式传播时，地面电磁场的观测值由于电磁感应的作用，会包含地下介质的电阻率分布信息[6]。而由于不同频率的电磁场信号具有不同穿透深度[7]，因此，大地电磁测深通过研究地表采集电磁数据能够反演地下不同深度介质电阻率分布信息[8]。地下不同介质的视电阻率ρ和f频率的关系用趋肤深度[9]δ表示，其计算公式见式(1)：

图1 EH4野外数据采集示意

(1)

3 工程实例

3.1 EH4在引调水工程前期勘察中的应用实例

某引水工程的引水隧道埋深较大，全线主洞线埋深为200～600 m，沿线跨越不同的地貌单元，地层岩性也变化较大，为查清沿线的地层岩性接触带和隧洞线上发育规模较大断层带的发育情况[10]，在遥感解译和区域地质资料分析基础上，对于洞线附近的可能存在断层的桩号段进行了EH4测试，确定主洞线附近岩性特征及完整性。通过物探测试，对于异常部位布置钻孔进行验证，进一步提高工程的勘探精度。

1) 1#EH4测试剖面

1#测试剖面长为350 m，设计洞线埋深为410 m，该段区域构造较复杂，大小交错。通过测试发现，50 m以上普遍为视电阻率小于200 Ω·m的低阻地层，在剖面桩号100～200 m处，从地表向下延伸至450 m发育一个条带状的低阻异常带，视电阻率在50～350 Ω·m，推测为地层挤压所形成断层破碎带；低阻体左右两侧的地层视电阻率从低阻从350 Ω·m逐渐增大到2 500 Ω·m，推测远离破碎带，岩体逐渐完整。为查明洞线附近的岩性完整性在剖面桩号210 m处布置ZK1，钻孔揭露，0～50 m为碎石土，50～300 m岩体破碎，且其中夹杂断层泥，300 m以下岩体较完整。综合分析洞线附近岩体较破碎，施工时需提前做好支护和排水(见图2所示)。

图2 1#EH4测试剖面示意

2) 2#EH4测试剖面

2#测试剖面长为1 640 m，设计洞线埋深为550 m，根据区域地质资料结合地表岩性，推测在剖面桩号500 m处可能为岩性分界线。通过测试发现，剖面桩号0～300 m自上而下为相对高阻地层，视电阻率在500～1 800 Ω·m；剖面桩号300～800 m有一低阻带呈V字型向深部地层延伸到约650 m处，经过设计洞线位置，视电阻率在200～500 Ω·m，推测为断层破碎带或岩体裂隙较发育；剖面桩号1 100 m附近有一斜向下的视电阻率分界线向地层深部延伸，其左地层视电阻率相对较高，在500～1 200 Ω·m；其右地层视电阻率相对较低，在100～400 Ω·m，推测为岩性分界线。在剖面桩号 1200 m布置钻孔ZK2，根据钻孔揭露，孔深360 m以上为泥质砂岩，360～370 m为泥质砂岩和凝灰岩分界面，370 m以下为凝灰岩，和物探测试成果吻合较好(见图3所示)。

图3 2#EH4测试剖面

3.2 EH4在引调水工程隧道超前探的应用实例

1) 推测断层超前探验证成果

测试剖面长为460 m，设计隧洞埋深为300 m，根据施工现场编录，剖面桩号60 m(掌子面)以前的围岩类别为Ⅳ类围岩，到掌子面后洞顶有线状流水。EH4测试成果显示，剖面桩号70～410 m为相对低阻带，视电阻率在250～350 Ω·m，推测岩体较破碎；两侧视电阻率相对较高，在400～800 Ω·m，推测岩体相对较完整。通过掌子面掘进记录，剖面桩号60～100 m、360～420 m岩性完整性相对较差，局部含断层泥，围岩类别为Ⅴ类围岩，其余测试段围岩类别为Ⅳ类围岩(见图4所示)。

2) 推测岩性分界线超前探验证成果

测试剖面长为410 m，设计洞线埋深为340 m，根据施工现场编录，剖面桩号220 m以前的围岩类别为Ⅲ类围岩，220～250 m(掌子面)岩性发生变化，由凝灰质砂岩变为碳质粉砂岩、页岩，掌子面附近检测到甲烷气超标，为查明施工未完成洞段的碳质粉砂岩、页岩的分布位置，特别是甲烷气含量超标段的位置进行了相关测试。EH4测试成果显示，剖面桩号0～220 m为相对高阻区，视电阻率在1 400～3 800 Ω·m，推测岩体较完整；剖面桩号230～250 m为相对低阻带，岩体的视电阻率在800～1 300 Ω·m与掌子面的掘进情况相符；剖面桩号在250～320 m岩体视电阻率在300～800 Ω·m，为低阻异常区，推测该段岩体破碎，为甲烷气含量超标段；剖面桩号在320～410 m和230～250 m的特性相同，推测岩性变化带。根据后序的掘进记录显示，甲烷气含量超标段和EH4测试成果吻合较好(见图5所示)。

图4 推测断层超前探验证成果示意

图5 推测岩性分界线超前探验证成果示意

4 结语

EH4在前期工程勘察中的测试成果，只是经过钻孔验证，在岩体低阻和高阻分界线处布置钻孔验证，验证结果较片面，如果钻孔验证到断层，则认为相对低阻带的岩性都相对较破碎，但通过隧洞掘进记录显示，EH4测试成果中高阻和低阻的分界线上确实存在岩体破碎或完整性相对较差的情况，但是低阻范围中也可能存在岩体相对较完整的区域。

通过EH4测试成果在引调水工程隧洞的勘察和施工中的验证情况来看，EH4在测试大埋深隧道的勘察中是一种比较可靠的方法[11]，可以为类似工程提供一定的借鉴。