广域电磁法在长深埋隧道勘察中的应用效果分析_段明杰.pdf

FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期近年来，云南省高速公路建设发展迅速，受当地的高山地形影响，长深埋隧道越来越多，给高速公路建设增加了难度，对于长深埋隧道勘察技术的要求也越来越高。随着城镇化及电力的发展，越来越多的长深埋隧道隧址区位于复杂的电磁干扰环境下，比如高压输电线、发电场等，导致传统的天然源电磁法勘察受到强烈的电磁干扰，难以取得优质的原始数据和可靠的勘察成果。基于此，笔者采用广域电磁法对复杂电磁干扰环境下的长深埋隧道进行勘察，相较于其他电磁勘察方法，该方法由于场源配合算法的不同，从原理上具有抗电磁干扰能力1，通过实地勘察验证该方法的抗干扰能力，以期为类似强电磁干扰区长深埋隧道地质勘察工作提供一种有效的方法2。1广域电磁法原理及特点广域电磁法是何继善院士针对传统电磁法的不足提出的一种新方法，该方法继承了可控源音频大地电磁法（CSAMT）可控的优点，克服了大地电磁法（MT）场源随机性和信号微弱的缺点，特别是摒弃了CSAMT将本来是去面波的电磁波简化成平面波而沿用“卡尼亚（cagniard）视电阻率”计算公式的方法，用电磁场的全域精确公式提取视电阻率，实现了在“非远区”进行测量，拓展了人工源电磁法的观测范围，成倍增加了探测深度3；针对CSAMT变频发送的缺点，采用一次发送包含多个频率成分且振幅接近的伪随机信号电流4，大幅度提高了观测速度、精度和野外勘探效率5。广域电磁法包含7种方式，这7种方式各有优、缺点，本次采用测量水平电流源产生的电场水平分量Ex的E-Ex形式广域电磁测深1，如图1所示，AB偶极源作为场源，发射极方向与测线方向平行的方式供电。图1广域电磁法工作示意图均匀大地表面水平电流源的电场沿x方向的分量Ex表示为：Ex=Idl2r31-3sin2+e-ikr（1+ikr）（1）根据式（1）定义广域意义上的视电阻率：a=KE-ExVMNI1FE-Ex（ikr）（2）摘要目前，长深埋隧道物探勘察多采用传统的大地电磁法和可控源电磁法，但在复杂的电磁干扰环境下，2种方法都有极大的局限性，受电磁干扰严重，数据失真，勘探成果不可靠。广域电磁法是一种新兴的人工源电磁法，具有勘探深度大、抗干扰能力强的特点。为了探究广域电磁法在复杂电磁干扰区长深埋隧道勘察中的应用效果，以云南某特长隧道勘察为例，分析其应用成效；结果表明广域电磁法抗干扰能力强，能较好地压制电磁干扰，取得了良好的勘探效果。关键词广域电磁法长深埋隧道应用广域电磁法在长深埋隧道勘察中的应用效果分析段明杰（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明650200）桥隧工程72福建交通科技2023年第1期其中：KE-Ex=2r3dLMN（3）VMN=ExMN（4）FE-Ex（ikr）=1-3sin2+e-ikr（1+ikr）（5）式中：Ex为x方向的电场水平分量，a为广域视电阻率，I为供电电流（A），dL为供电点AB的直线长度（m），为测点与供电点AB中点的连接的夹角；r为测点到供电点AB中点的距离（m），i为虚数单位，k为波数，xMN为MN电极之间的距离（m）。式（2）定义了广域电阻率，是整个广域电磁法的基础，保留了公式中的高次项，用适合全域的不进行简化的公式进行计算机编程迭代计算，在包括远区、过渡区甚至一部分近区的广大区域内开展电磁测深，扩展了人工源电磁法的观测范围，因此定义为“广域电磁法”6。2应用实例分析通过对广域电磁法基本原理和特点的分析，认为其具有很强的抗干扰能力，可在复杂电磁干扰环境下开展深埋隧道勘察工作。为进一步验证该方法的实际效果，在云南某深埋隧道进行了应用分析。该隧道全长10920 m，最大埋深1079 m，隧址区电磁干扰严重，分布风电发电场及高压输电线，如图2所示。图2风机及高压线分布图2.1隧道地质特征2.1.1地层隧道与地层走向近似垂直，隧址区主要出露地层极复杂，沿路线方向通过地层主要有：（1）下元古界苍山岩群a岩段（Pt1C.a）浅灰、浅灰绿色黑云斜长变粒质糜棱岩、黑云斜长片麻质糜棱岩、黑云斜长变粒岩、角闪斜长变粒岩夹长英质超糜棱岩；（2）下元古界苍山岩群b岩段（Pt1C.b）浅灰色钾长花岗质黑云斜长条带状混合岩、钾长花岗质黑云斜长条带状混合质糜棱岩夹少量绢云千糜岩、二云片岩；（3）下元古界苍山岩群c岩段（Pt1C.c）浅灰、灰白色黑云斜长变粒质糜棱岩、黑云斜长片麻质糜棱岩夹长英质糜棱岩，受构造影响，岩石整体碎裂岩化；（4）下元古界苍山岩群d岩段（Pt1C.d）浅灰色白云石大理岩、方解石大理岩、黑云斜长变粒岩夹白云石英片岩、绿泥片岩，梅次坪一带见少量泥质硅质碎裂岩；（5）上元古界石照碧岩组（Pt3s.），根据岩性组合的差异划分为2段：一段（Pt3s.1）岩性组合为浅灰色白云质结晶灰岩、结晶灰岩夹绿泥片岩、白云石英片岩；二段（Pt3s.2）岩性组合为浅灰、灰绿色绿帘阳起片岩、绿泥片岩、绿泥石英片岩、白云石英片岩、绢云千糜岩夹白云质结晶灰岩、结晶灰岩；（6）古近系古新统勐野井组一段（E1m1）紫红色复成分砾岩、砂砾岩、岩屑石英砂岩夹粉砂岩、泥岩，局部夹泥灰岩透镜体、石膏；（7）新近系上新统三营组二段（N2s2）浅灰、褐黄色泥岩、泥质粉砂岩夹煤层。2.1.2构造隧址区内地质构造较为复杂，受区域性构造影73FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期响，发育有众多不同性质的断层，共10条。其中以维西乔后断裂（F1）为界划分了2个一级大地构造单元（扬子陆块区、羌塘三江造山系）、2个二级大地构造单元（上扬子古陆块、兰坪思茅地块），并进一步细分为2个三级大地构造单元、2个四级大地构造单元。隧址区受多条断裂影响，角砾岩、糜棱岩和挤压片理较发育。主要断裂如表1所示。表1隧址区发育断裂统计2.1.3地球物理特征不同岩性或不同地质情况会表现出不同的物性特征，在物探勘察工作前期，对隧址区内代表性岩石进行物性分析，认为该区能进行物探勘察的地球物理前提是：第三系的泥岩、砂岩、粉砂岩电阻率值一般为低阻特征，电阻率值一般介于几十至几百欧姆米范围内；元古界苍山群变质岩电阻率值一般为高阻特征，一般介于几百至几千欧姆米。基岩中的构造带或断层，会导致岩层电阻率值降低，形成低阻异常带，不同岩性接触带、较完整岩体与充水破碎带、软弱岩体等，电阻率值也会表现出差异。因此，本工区能够用电性差异区分地层岩性，划分断层破碎带等构造体，具备开展电法工作的地球物理条件7。2.2野外工作方法简述根据物探工作的技术要求，物探剖面沿隧道线路贯通，在地表沿隧道右幅中线布置测点，点距以30 m为主，异常地段加密测点。采用的物探方法为广域电磁法，接收机型号为：JSGY-2仪器；发射仪型号为：DGN-2多功能发射信号控制器，发射信号为7频波伪随机方波；大功率的发射发电机为奔驰发电机，供电电压为1000 V，供电电流不低于30 A。结合任务目的和实际情况，拟定了广域电磁法的野外工作模式采用E-Ex工作模式，详细采集参数如表2所示。表2广域电磁法采集参数为了能提高电磁法的横向分辨率和垂向分辨率，满足1500 m的勘探深度，达到更好地识别、分辨构造及地质目标体的目的，本次选用广域电磁仪器测量6个频组（11、9、7、6、5、4），共计42个频率，频率范围为81925/8 Hz，各频率分布及每条数据显示间隔时间见表3。本次广域电磁法野外发射站位置与剖面位置关系如图3所示。断裂编号断裂名称延伸方向 长度/km倾向/性质F1维西-乔后断裂NW13.1270正F3芹菜塘断层SN9.4270正F4大宝山断裂NW8.7230250逆F7牛桂断层SN8.1240正F8梅次坪断层NNM5.5240正F9罗坪山性断层NW11.0210正F10狮子山断层NW1.345正F13金盆寺断层NNE2.0225正F14大宝断裂NE10.6215正-平移F15唐房断层NE1.4-平移参数名称采集参数参数名称采集参数点距/m30供电电流/A48线距/m-供电极距/m960观测分量E-Ex激发频率/Hz81925/8收发距/m1210激发波型7频伪随机方波极距长度/m60表3广域电磁法数据采集频组频组频率/Hz时间/s1181924096204810245122561288107168358417928964482241128961443072153676838419296885120256012806403201608087643216842132656281477/27/47/8325482412633/23/432440201055/25/45/832311/21/41/81/161/321/6425627/87/167/327/647/1287/2567/51225613/43/83/163/323/643/1283/25625605/85/165/325/645/1285/2565/512256桥隧工程74福建交通科技2023年第1期图3广域电磁法发射站位置与剖面位置关系场源位置坐标参与广域视电阻率的计算，项目组应准确记录；场源电极（A、B）根据实际地形、地物情况，选择远离人员聚集地区、水域、高速公路、高压线等干扰源，保证测线两端与垂直场源中心点垂线夹角均小于30。2.3数据处理与解释数据处理解释流程图如图4所示：图4数据处理解释流程图先对广域电磁法资料进行常规数据预处理，包括飞点剔除、静态校正、各种滤波等，去掉干扰和静态影响；再对经过初步处理的资料进行定性分析，对“频率视电阻率”曲线进行类型分析，详细分析构造转换和特征位置的特定“频率视电阻率”曲线类型，确定地下介质在曲线上的响应特征，对“频率视电阻率”拟断面图进行分析，初步确定断层系统和地质分层的划分，同时确定原始数据与构造区域的对应关系8；最后结合已有的地球物理和地质资料建立合理的地质模型，构建解释模式，进行一维反演、二维反演8，采取不同反演方法，利用其不同反演方法的优势，合理设计反演流程，克服各种反演方法的缺点，以得出合乎地质情况的反演结果，结合电阻率测井、钻井分层等资料进行解释，提高广域电磁法解释成果的可靠性和解释精度8。2.4应用效果分析2.4.1定性分析在严格检查野外采集的原始数据的基础上，先对数据做预处理，再对经过初步处理的资料进行定性分析，分析“频率视电阻率”拟断面图，如图5所示。低频段（深部）高视电阻率不连续，表现为中间高阻，两端低阻，推测两端构造发育，岩体破碎。2.4.2定量分析结合已有的地球物理和地质资料建立合理的地质模型，构建解释模式，进行二维反演。在本次反演过程中采用了阻尼型最小二乘法和共轭梯度2种创新算法，为了增加其横向与纵向分辨力，提高其薄层分辨能力，2种反演算法都采用了尖锐边界约束反演技术。先利用阻尼型最小二乘法反演算法其对构造反应敏感的优点进行反演，再以此成果作为共轭梯度算法的初始模型，进行共轭梯度法反演，共轭梯度法反演成果作为最终解释成果，如图6所示。图5视电阻率拟断面图75FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期结合图6与地质调查及钻孔资料可综合推断解释如下（成果解译的关注点为隧道洞身标高附近的地质情况，下文所述一般指隧道洞身标高附近的相关情况）：（1）该隧道围岩电性结构基本呈“低高低”的变化特征，该电性结构变化特征与隧道围岩岩性由沉积岩到变质岩的变化特征相吻合；（2）+000+1100段电性特征以低阻为主，推测围岩以粉砂岩、泥质粉砂岩为主，其中+600附近及+1100附近电性层错段或突变，电阻率等值线扭曲，推测发育2条断层，与F1和F7断裂对应；（3）+1100+2450段围岩电阻率值稍高，呈相对中阻特征，推测围岩以中风化大理岩、混合岩为主，岩体破碎，富水，其中+1850附近、+2180附近及+2450附近电性层错段或突变，电阻率等值线扭曲，推测发育3条断层，与F8、F3及F17断裂对应；（4）+2450+8100段围岩电阻率值呈高阻特征，推测围岩以混合岩为主，岩体整体较完整，局部较破碎，其中+3800附近及+8100附近电性层错段或突变，电阻率等值线扭曲，推测发育2条断层，与F9和