声频大地电磁法在复杂地质构造隧道中的应用及研究

刘东东

(中交四公局投资事业部 北京 100022)

我国的高速公路事业处于快速发展阶段，隧道建设的安全问题成为了重中之重，由于隧道沿线要穿越如断层、节理裂隙带等复杂的地质构造区域，在施工时经常遇到塌方、突水突泥等地质灾害。受工程和水文地质条件复杂的影响，地质勘察的成果往往与实际开挖结果相差较大，难免会有部分地质问题在勘察时遗漏，在复杂的地质构造区域中，如何提高地质勘察的精度，保证隧道顺利施工是值得深思的[2]。

一、音频大地电磁法（AMT）基本原理

大地电磁法勘探本质上是通过测量大自然的大地电场和磁场强度来研究地下地质构造的方法。传统的大地电磁（Magnetotellurics Method，简称MT）法勘探多指频率为0.001～10000HZ的低频勘探，常用于数千米至数万米的深部地质构造探测研究。工程勘察的主要目的在于分析数千米以内的地质情况，本文所采用的音频大地电磁勘探，频率通常在1～10000Hz范围以内，因该频段大体在音频范围内，故也称之为音频大地电磁法（Audio Magnetotelluric Method，简称AMT）勘探。虽然MT探测的深度更深，但AMT在采集地下1km以内的信号时，抗干扰能力更强，数据更可靠，足以满足隧道勘察的需要[3]。

音频大地电磁法（AMT）是以卡尼亚大地电磁理论为依据，其基本理论模型是：假设场源位于高空，地下介质在水平方向是均匀的，地电磁场为平面电磁波；定义电磁波在地下介质传播中时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度定义为穿透深度或趋肤深度δ，其表达式为：

式中：ρ为大地背景电阻率（Ω·m）；

f为频率（Hz）。

由式（1）可知，趋肤深度δ将随电阻率ρ和频率f变化，趋肤深度δ随着探测频率f的增大而减小，随着大地背景电阻率的增大而增大。即：当采集高频信号时，实际得到的是浅层电阻率信息，采集低频信号时，得到的是深部电阻率信息。研究对应深度的电阻率在相对应的频带上进行的，便可达到探测的目的。根据公式计算出相应的视电阻率和相位，从而进一步确定地质构造。

二、探测设备及现场测线布置

本次探测所采用的仪器设备是EH4连续电导率剖面仪，该仪器于上世纪九十年代由美国EMI公司和Geometrics公司联合推出。仪器主要由发射装置和接收装置两部分组成（见图1）。发射装置包括发射机、发射天线、控制器、12V蓄电池。接收装置包括主机、前置转换器（AFE）、传输电缆、接地电缆、不锈钢电极、磁探头、12V蓄电池。

在开展工作的前一天需进行平行试验，从而检测仪器是否正常。其方法为：将两个磁棒平行放在地面上，且相隔2～3m，两个电偶极子也要保持平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号情况。

电极的布置技术：工作时需要使用到四个电极，即两个电偶极子，每两个电极组成一个电偶极子，其长度等于点距，（便于对比监视电场信号），与测线方向一致的电偶极子称为X方向-Dipole；与测线方向垂直的电偶极子称为Y方向-Dipole。由森林罗盘仪确定方向，误差小于0.5°，保证Y方向-Dipole电偶极子的方向与X方向-Dipole的相互垂直；电偶极子的长度由测绳测量，误差应小于0.5m。

磁棒布置技术：前置放大器与磁棒的距离应大于5m，两个磁棒埋入地下的深度应不小于5cm，从而消除人为干扰，使用地质罗盘确定方向使其相互垂直，误差控制应不大于2°，且两个磁棒应保持水平。所有人员要远离磁棒至少10m，磁棒布置尽量选择远离电缆、大树、房屋的地方。

AFE（前置放大器）布置技术：前置放大器应放置在测量点上，即两个电偶极子的中心处，前置放大器应首先接地，避免其受到大电流的损伤，且其远离磁棒至少10m。

主机布置技术：主机应放置在远离AFE（前置放大器）20m以上的平台上，且AFE和磁棒也应该在主机操作员视野内。

三、数据处理与成图

H4连续电导率剖面仪的数据处理与成图主要是通过IMAGEM和综合处理软件进行。其主要步骤有以下几点：

1.对获得的电场和磁场虚实分量和相位数据进行初步处理，使用IMAGEM软件对数据进行编辑，对明显的异常点进行删除，从而提高数据的质量。

2.对数据进行静校正、生成表层电阻率、编辑剖面电阻率及剖面处理。

3.对数据进行空间和频率插值，对剖面进行均匀插值，对频率按照对数规律进行插值。

4.形成后续处理文件和预反演成像参数文件。

5.通过多次迭代正演和反演，得到二维正演数据和反演结果，若反演结果与已知地质特征和其正演数据剖面图与原始数据断面图基本吻合，则正反演计算结束。

四、推断解释成果

K7+995～K8+064：视电阻率值在300-500Ω·m，推测为强-中风化灰岩，节理较发育，岩石较破碎至较完整，局部发育岩溶裂隙带，围岩自稳性较差。

K8+064～K8+195：视电阻率值在150-300Ω·m，为灰岩与泥岩交界构造带，为典型岩溶发育区。图像反映，区域内发育岩溶漏斗，其轴线产状倾向隧道进口方向，倾角约75°，区段内064-095区段围岩为强风化灰岩，095-195为泥岩与灰岩混杂而成的充填物。围岩中含地下水，自稳性很差。开挖易引发塌方、坍塌事故。

K8+195～K8+315：视电阻率值在150-180Ω·m，推测为中风化泥岩，岩石较完整，但较软弱，岩体自稳性尚可，局部节理裂隙发育处自稳性差。该区段是电阻率值稳定，未见大规模构造带发育。

五、结束语

通过此次音频大地电磁探测（AMT）在隧道位置及周边探测应用表明：

1.在地形条件恶劣，无法布置长测线且要求勘探深度较深的地区，EH-4音频大地电磁测深系统凭借其设备轻便、速度快、勘探精度高等优点。其在复杂地形地质条件下的良好的应用效果已经得到验证。

2.在一定地质环境下，音频大地电磁测深方法能够较为理想地完成查明隧道位置及周边可能存在的岩溶构造的勘查任务，为地质调查提供可靠的信息，避免地质灾害的发生，保障工程安全顺利的施工。

3.结合已有区域的地质资料，更合理地布置物探测线，将目标异常体控制在几条测线的探测范围之内，通过各条测线的比对，可以更好地查明岩溶构造的具体信息。