可控源音频大地电磁和折射地震在隧道勘查中的应用：以沈白铁路杨树隧道为例

2021-12-02刘桂梅范剑王茜杨学明王自力雷清张翰奇

西部探矿工程 2021年11期

刘桂梅，范剑，王茜，杨学明，王自力，雷清，张翰奇

（1.天津市地球物理勘探中心，天津300170；2.天津华北地质勘查局，天津300170）

1 概述

当前在我国的铁路工程地质勘察工作中面临着许多新的挑战，铁路工程建设的地质环境越来越复杂，而长期以来隧道勘察一直是铁路工程地质勘察中的重点和难点[1]，特别是复杂地质条件下的长大深埋隧道往往作为线路控制性工程，直接影响线路方案、投资、安全、工期以及环保等多个方面。

为查明隧道覆盖层厚度、岩层风化程度、岩层界限、地质构造以及地下水情况等，前人探索出许多方法和经验，总结出将综合地球物理勘察技术[1,3-5]应用于复杂地质条件下的隧道，通过采用不同地球物理勘察方法的互补性，可提高地球物理资料解释精度，为隧道勘察设计施工提供综合地球物理依据。

本文以杨树隧道勘察为例，通过在隧道开展的可控源音频大地电磁测深和浅层地震折射波法，查明了隧道进出口及浅埋地段的上覆盖层厚度、土石界线、纵波速度等地质情况；深埋地段隧道洞身及以上的岩性界限、构造、地下水及其它不良地质情况，综合分析研究了可控源音频大地电磁测深和浅层地震折射法在隧道勘察中的具体应用和勘察效果。

2 方法原理

2.1 可控源音频大地电磁测深原理

可控源音频大地电磁法（CSAMT），是在大地电磁法的基础上，为克服后者观测信号弱而发展成的一种人工源电磁测深方法。该方法主要采用人工场源，与天然源大地电磁测深相比，具有信噪比高、快速高效等特点。已经在能源、金属与非金属等矿产资源勘查以及水文、工程、环境、灾害地质调查中得到了广泛应用并发挥了重要作用。

在野外数据采集中，主要采用赤道偶极装置进行标量测量。该装置使用有限长的供电电极AB作为场源，在距离场源中心一定范围以外进行观测与人工场源相平行的水平电场分量Ex和与场源相正交的水平磁场分量Hy。通过测量到的电场的幅值Ex和磁场的幅值Hy来计算卡尼亚视电阻率ρs，电场的相位值Ep和磁场的相位值Hp来计算卡尼亚相位φs。利用视电阻率和相位参数进行反演计算，并根据反演电阻率分布断面结果进行合理的地质推断解释。

2.2 地震折射波法原理

浅层折射波探测方法是研究人工地面激发的地震波，当下层介质的波速大于其上层介质波速以及波的入射角等于临界角的情况下，地震波就会沿着速度界面传播，则其传播方向发生改变且沿界面下沿滑行，从而在界面的上覆介质中产生折射波。通过研究在地面观测到的折射波到达时间与该点相对于激发点之间的距离关系，可推断地下地质结构特征。

准旅行时解释（T′）法俗称表层剥去法，是利用相遇时距曲线求取T′直线,再通过T′直线求取界面速度和迟滞时间,并进而求出各点界面深度的一种方法。该方法适用于多层结构，考虑到解释的精度，一般可用于三—五层地下结构。

3 工作方法

3.1 CSAMT工作方法

本次勘察根据勘察设计及任务要求，沿杨树隧道中线布设CSAMT测量剖面对隧道进行贯通。仪器采用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ型多功能电法仪，标量采集模式。测量频率范围设置为8~8192Hz，AB发射偶极子长度1.2km，并且保持与测线大致平行；发射偶极子所覆盖的范围与偶极子的垂线夹角不超过30°，收发距为11km，发射电流稳定在8A以上；测点使用RTK野外放点，点位误差小于0.5m；测点间距为25m，MN极距和点距相同，每个排列采集6个点。

3.2 浅层地震折射工作方法

本次工作采用美国Geometries公司生产的NZ24型地震仪，锤击震源开展工作。地震折射波法采用相遇追逐观测系统进行数据采集，排列长度根据测线长度合理选择。道间距选择5m，最大炮检距根据折射波盲区的距离进行选择，以满足近炮盲区折射波的连续追踪。

4 数据处理

4.1 CSAMT数据处理

首先对取得的原始数据（.raw）进行格式转换（.AVG）；然后采用Inv_MT2d软件对原始数据进行预处理，主要是飞点的编辑和曲线的圆滑；之后对预处理之后的数据采用人工曲线平移法进行数据的静态校正；最后选择合适的参数和模型进行一维反演成图。

4.2 浅层地震折射数据处理

对原始记录通过拾取各单炮初至时间，然后绘制时距曲线图，采用表层剥去法求取各速度层的速度及厚度，并结合地质、钻孔等资料进行定量解释；同时对地震折射数据采用Plotrefa软件进行层析成像处理，求取洞身顶部纵波速度并采用Surfer软件绘制等值线图。

5 杨树隧道探测结果分析

杨树隧道为新建沈阳至白河铁路工程通化段某深埋隧道，位于吉林省通化市杨树排子村附近，起止里程段为DK167+35~DK168+350，隧道全长1000m，隧道平均埋深在地下60m左右，最大埋深约120m。

工区为中—低山地貌，地形起伏较大，植被较发育。地表出露地层为第四系全新统坡洪积层角砾土和侏罗系凝灰质砂岩。

为查明隧道进、出口覆盖层厚度、土石界线、纵波速度、深部断层、破碎软弱带及岩体完整性等不良地质情况，在隧道进口（167345~167460）和出口（168255~168370）段采用地震折射法；隧道全线采用CSAMT贯通勘察。

5.1 隧道进、出口浅层地震折射结果分析

图1为杨树隧道进、出口地震折射物探勘察成果图。隧道进口上覆为角砾土及全风化凝灰质砂岩，表层纵波速度为0.7km/s，覆盖层厚度在7~12.7m之间；第二层为强风化凝灰质砂岩，其纵波速度为2.0km/s，层厚度在3.9~12.5m之间；其下伏为弱风化凝灰质砂岩，纵波速度为3.0km/s；洞身顶部纵波速度在0.2~4.2km/s之间变化，且随着洞身埋深的加大，速度也在逐渐加大，表明深部岩层结构大致稳定；同时纵波速度层析结果显示隧道进口纵波速度偏低，说明该区域岩石风化破碎严重。

图1 杨树隧道进、出口地震折射成果图

隧道出口上覆盖层的纵波速度0.7km/s，覆盖层厚度在7~12.7m之间；层厚度在4.8~6.7m之间；第二层强风化凝灰质砂岩纵波速度为2.1km/s，层厚度在9.8~12.5m之间；下伏弱风化凝灰质砂岩的纵波速度为2.9km/s；洞身顶部纵波速度在0.1~3.6km/s之间，纵波速度层析结果显示该段洞身附近速度偏低，表明岩石风化易破碎。

杨树隧道进、出口浅层地震折射勘察成果基本查明了上覆盖层的纵波速度和层厚度，下伏基岩的纵波速度，并结合速度层析成果图研究分析了隧道进、出口一定深度内的纵波速度断面图，为隧道浅埋地段设计施工提供了有利地球物理依据。

5.2 可控源音频大地电磁结果分析

解释原则：隧道的施工可能从大里程到小里程、也可能从小里程到大里程，最危险处应为邻近高低阻的隧道段落，即高低阻变化处，最接近可能存在（承压）地下水的位置，容易出现塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害，重点标识为I类异常，大致对应于地质围岩的Ⅴ、Ⅳ级围岩；低阻区域圈定为II类异常，大致对应于地质围岩的Ⅳ围岩，该类异常临近高低阻变化的明显低阻，也是容易出现危险区域，围岩的完整性差。施工穿越明显高低阻变化处后，地下水基本得到释放，危险性显著降低。

结合浅层地震折射成果和CSAMT测深成果，隧道浅部电阻率值较低，一般小于200Ω·m，主要是碎石土和全风化凝灰质砂岩的反映；下伏弱风化凝灰质砂岩的电阻率值稍高，大于300Ω·m；在大里程段深部电阻率值较低，一般小于200Ω·m，结合工区地质资料，应是侏罗系页岩的反映。

DK167+425~DK167+475段电阻率值较低，局部等值线向下凹陷，推断局部富水，定为II类高风险区WTII-1；DK167+675~DK167+725段电阻率等值线梯度变化较大，定为II类高风险区WTII-2，DK168+175~DK168+225段位于高低阻梯度变化处，定为II类高风险区WTII-3，上述高风险区在设计施工时应注意塌方、涌水等地质灾害。

DK167+500、DK167+600、DK167+900处电阻率剧烈变化，梯度变化较大，等值线陡立，推断存在断层，分别标记为F1、F2、F3，在设计施工时应注意塌方、涌水等地质灾害。

同时根据隧道进、出口浅层地震折射的解释成果，结合隧道CSAMT浅部电阻率及等值线变化特征的反演成果，对隧道上覆盖层的分布情况进行了划定。

5.3 综合地球物理探测方法结果分析

通过对杨树隧道采用的综合地球物理方法结果分析，浅层地震折射波法主要依据波速特征对隧道浅部进出口的覆盖层厚度及围岩稳定性进行了评价和分析，可控源音频大地电磁法主要依据地下介质的电阻率特征对隧道深部地质构造及围岩稳定性进行了评价，二者互为补充，即查明了隧道浅部的覆盖层厚度及围岩结构特征，又对隧道深部构造、软弱岩层分布特征进行了评价，弥补了单一物探方法的局限性，提高了解释精度，为铁路隧道勘察提供了有利地球物理依据。