EH4电磁成像系统在高速公路隧道勘察中的应用探析

王吉庆

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

EH4 电磁成像系统是由美国Geometrics 公司和EMI 公司于20 世纪90 年代联合生产的一种混合源频率域电磁测深系统，属于音频大地电磁测深法，接收频率10～100 000 Hz，探测深度50～1 000 m，历经十几年地使用与发展，EH4 已成为一种稳定成熟的电磁测深仪器［1］。

近年来，因为EH4电磁成像系统具有灵敏度高、探测深度大的特点，在公路、铁路建设中被广泛应用，另外它还可用来寻找断裂、岩体破碎带，确定基岩起伏，划分土石界线等，对中深部大型地质构造探测效果明显，是进行长大、深埋型隧道勘察的一种有效方法，凭借其探测速度快、深度大、精度高的特点，可为路线设计施工提供有效的技术支持［2-3］。本论述结合EH4 电磁成像系统在礼县隧道勘察中的实际应用，阐明该方法在反映深部地质构造、划分地层方面的有效性，为划分隧道围岩级别提供了有利的数据支撑。

1 EH 4基本原理及野外观测方法

1.1 基本原理

EH4电磁成像系统属于部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统，深部构造通过天然场源成像，浅部构造通过人工电磁波发射信号，获得高分辨率成像。假设大地电磁场是平面电磁波且垂直投射到地下，在地面观测相互正交的电场分量Ex、Ey 和磁场分量Hx、Hy，利用上述观测参数可以计算得到两个方向的视电阻率ρxy和ρyx，表达式如式（1）、式（2）所示［4］：

式中：f 是频率Hz，ρ 是电阻率Ω· m，E 是电场强度mV/km，H 是磁场强度nT。根据电磁场理论，把电磁场在地下介质中传播时，其振幅衰减到初始值的1/e时的探测深度定义为趋肤深度δ，即探测深度，其表达式如式（3）所示：

由式（3）可知，趋肤深度与介质电阻率的平方根呈正比，与频率的平方根成反比，故高频信号反映地下浅部介质的电性特征，低频信号反映深部介质的电性特征。测量时，高频与低频信号分段测量，可确定地下不同深度范围内的介质地电特征［5］。

1.2 野外观测方法

EH4 野外观测系统主要包括主机、前置信号放大器、4个电极、2个磁棒以及连接线缆，采用12 V电瓶供电，野外观测布置如图1所示。

图1 EH4电磁成像系统主要设备及观测布置示意图

一般情况下，由于地下介质是非均匀体，EH4数据测量采用张量测量的方式，即同时采集2个方向的电场Ex、Ey和2个方向的磁场Hx、Hy信号，这有利于判断二维构造特征，但是在地下介质二维特征不明显，或以沉积地层为主，无断裂构造的情况下，可考虑使用标量测量，即采集1个方向的电场Ex和与其垂直的磁场Hy信号，用计算的ρxy来表征地下介质的地电特征。

在高速公路长大隧道的地质勘察中，EH4 一般采用连续剖面法，即EMAP 法。该方法的特点是极距与点距相等，形成首尾相连连续布极，有利于消除地下浅部不均匀体造成的静态效应。

单点采集时，采用标量测量方式，应注意以下几个要点：

（1）采用连续剖面测量方式，确保两个电极方向沿隧道线路方向布置，极距一般取40 m；磁探头垂直电极方向水平埋设；均以地质罗盘确定方向，误差控制在2°以内；

（2）采集参数根据现场情况确定；一般低频叠加次数为16 次，高频叠加8 次即可，可根据显示的时间序列、功率谱图像，在野外现场快速进行数据质量判断，如果采集信号较弱，可适当增加采集叠加次数；

（3）在野外测量中尽量避免工业电流干扰。一般情况下，完成一个500 m深度的电磁测深点，大约30 min；在干扰区测量时，可适当旋转观测角度以减小工业电流影响，同时应增加有效迭加次数，延长观测时间。

2 数据处理及反演方法

利用成都理工大学研发的VitasMT软件，对实测的Ex、Hy 各分量的时间序列信号，经傅立叶变化和复杂的函数计算，可得到地下交变电磁场的自功率谱和互功率谱，从而计算出随频率变化的视电阻率和阻抗相位。对得到的视电阻率曲线做定性分析，人工剔除飞点，编辑平滑，个别曲线做静态校正，然后可利用软件反演模块，做二维非线性共轭梯度（NLCG）反演，具体如图2、图3所示。

图2 EH4电磁成像系统数据处理流程

图3 EH4电磁成像系统数据处理界面

3 解译原则

EH4电磁成像系统有效观测的前提是地下不同介质存在电阻率差异，二维反演结果中，根据视电阻率等值线分布形态来判断地电断面特征、识别地层分界线、划分不良地质构造等。不同岩性由于其赋存状态、结构构造、矿物成分、含水情况不同，视电阻率存在差异，在解译之前应宏观把握研究区各地层岩性特征，对区内构造发育情况有大致了解，结合已有的钻探资料，然后再依据视电阻率等值线图来解译地电断面。一般来讲，视电阻率等值线密集、梯度变化大，两侧视电阻率值明显异常的条带可能为地层分界线；视电阻率等值线横向突变、不连续，多为条带状或形成不均匀的低阻圈闭异常带，一般为断裂破碎带及其影响带。

4 工程实例

4.1 测区工程地质条件

新建礼县隧道位于陇南市礼县境内，为左右分离式特长隧道，隧道全长5 118 m，最大埋深388 m。测区内出露的地层主要为第四系全新统坡积粉质黏土（Q4dl）、新近系砂质泥岩（N）以及泥盆系中统西汉水组砂质板岩（D2x）等。测区多为耕地，地形起伏较大，基岩露头较少。由于隧道长度长、埋深大，钻孔布置不能兼顾所有段落，故需利用EH4 方法来探测深部地质条件，为判别隧道工程地质条件提供依据。为此，沿隧道右线布置EH4 剖面，测量里程桩号为YK87+400-YK90+028段。

4.2 资料成果分析解译

从图4 可以看出，该段地层分为三层：第一层表现为低阻特征，视电阻率：ρs=5～50 Ω·m，层厚约0.0～88.6 m，推测地层为粉质黏土（Q4dl），土体含水量较高；第二层表现为中阻特征，视电阻率：ρs=50～80 Ω·m，层厚约22.0～126.4 m，推测地层为砂质泥岩（N）；第三层表现为高阻特征，视电阻率：ρs=80～550 Ω·m，推测地层为砂质板岩（D2x），洞身段围岩主要为该岩体。从上到下各电性层缓慢过渡，呈渐变形式，在视电阻率等值线梯度变化大的地方，推测为各地层分界线。

值得注意的是，在YK88+500-YK89+300段，即图4中异常段落1，视电阻率等值线有明显的整体下凹趋势，推测砂质泥岩在此段中厚度较大，砂质板岩顶面在该段呈低凹形态。根据EH4 解译结果，在该段布置钻孔ZK-SD4-7 加以验证，地层分段如下：0.0～46.4 m 为粉质黏土，局部夹圆砾；46.4～192.5 m 为砂质泥岩；192.5 m 以下为砂质板岩。实际地层划分与EH4 解译基本一致，吻合程度较高。在未做EH4剖面之前，由设计人员推测砂质板岩顶面埋深较浅，隧道洞身位于中风化砂质板岩中，岩体完整程度较好，围岩级别设计为Ⅳ级，经EH4剖面解译及钻孔验证，该段隧道洞身距离泥岩与砂质板岩界面较小，岩体完整程度较差，经钻孔内声波波速测试，测得洞身范围内岩体平均波速为3 159 m/s，岩体完整性系数Kv=0.5，岩体完整程度判别为较破碎，相比于其他段落，围岩自稳能力差，应加强支护，防止围岩松动破坏。

在YK89+700-YK89+900 段，即图4 中的异常段落2，视电阻率明显比周围岩体电阻率低很多，形成局部低阻异常圈闭，推测该处粉质黏土厚度较大，砂质板岩界线明显降低，推测有可能是西汉水古河道位置。在该段布置两个钻孔ZK-SD4-4、ZK-SD4-5 加以验证，结果ZK-SD4-4 在孔深70.2 m 处见砂质板岩，而ZK-SD4-5在钻至87 m 时仍是粉质黏土，未见砂质板岩。在未做EH4 剖面之前，由设计人员推测该段洞身在砂质板岩中，围岩级别设计为Ⅳ级，经EH4剖面解译及钻孔验证，该段隧道洞身位于粉质黏土中，围岩级别调整为Ⅴ级。

图4 礼县隧道EH4电磁成像系统二维反演剖面综合解译图

5 结论与建议

（1）EH4 电磁成像系统测量稳定、数据可靠，在礼县隧道工程地质勘察中的应用是成功的，不同岩性的电性特征分层明显，能够有效划分砂质泥岩与砂质板岩的界线，并且精度较高，后经钻孔验证，EH4 剖面解译的地质分层与实际地层吻合度很高，达到了预期目的。

（2）利用EH4电磁成像系统综合解译结果，可以为隧道设计提供有效的数据支撑，在划分围岩级别、支护参数选取时可以作为参考。

（3）EH4 电磁成像系统采集方法有张量测量和标量测量，可根据实际地质条件选用，对于沉积地层、断裂构造不发育地层，可选用标量测量，其野外操作更为简洁，测量速度较快，观测效果接近张量测量方式。

（4）EH4 数据往往需要多次处理才能得到较满意的结果，建议在开展工作时，应结合实际工作经验，加强EH4数据二维反演处理，将EH4结果与地质资料紧密结合，在对地电断面解译的过程中加强地层、构造的精细化分析，必要时采用多种物探手段加以验证。

（5）建议今后工作中可尝试采用电性参数判断深埋隧道岩体的完整性，进而对隧道围岩完整性分级进行定量分析。