苏交科集团（甘肃）交通规划设计有限公司 兰州 730000
摘要：扎尕梁隧道位于舟曲县南部，全长5782m，最大埋深985m，为舟曲立节至四川永和公路建设工程的控制性工程。隧址区地形起伏大，植被茂密，勘探条件困难。在钻探难以实施的情况下，采用物探解决地质问题，而EH4高频大地电磁测深法，野外操作简单，对中浅部分辨率高，采集参数多，有效解决了岩体完整性、地层分布、地下水、构造发育等地质问题。通过工程地质调绘和深孔钻探，对物探解译的异常区域进行了验证。总结出了不同地质问题所反映的大地电磁异常特征，为特长深埋隧道勘察提供参考依据。
关键词：扎尕梁隧道；大地电磁；视电阻率；节理；地下水；构造
Application of EH4 High Frequency Magnetotelluric Method in Zhagaliang Tunnel Exploration
Yang Dahui
（JSTI Group（Gansu）Transportation Planning&Design Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，China）
Abstract：Zhagaliang Tunnel is located in the south of Zhouqu County，with a total length of 5782m and a maximum depth of 985m.It is a control project for the construction of Zhouqu Lijie to Sichuan Yonghe Highway.The terrain of the tunnel area is undulating，with dense vegetation and difficult exploration conditions.In the case that drilling is difficult to implement，geophysical exploration is used to solve geological problems，while EH4 high-frequency magnetotelluric method has simple field operation，high resolution in the middle and shallow parts，and many acquisition parameters，which effectively solves the rock mass integrity and stratum distribution.Geological problems such as groundwater and tectonic development.Through engineering geological mapping and deep hole drilling，the anomalous area of geophysical interpretation was verified.The characteristics of the magnetotelluric anomaly reflected by different geological problems are summarized，which provides a reference for the special deep tunnel explo ration.
Key words：Zhagaliang Tunnel；Magnetotelluric；Apparent resistivity；Joint；Groundwater；Structure
0 引言
“一带一路”以基础设施建设为着眼点，促进多方合作及经济发展。为响应西部开发战略，各级政府紧抓国家重大战略机遇，加快推进交通基础设施建设工作。随着路网逐步完善，地形地质条件复杂的道路工程随之增多，在公路铁路勘察过程中，特长深埋隧道地质问题也相应突出[1]。此种情况下，由于山高林密，加之环境保护，使得钻探、地质调绘等通用方法不能很好的解决深埋地质问题，也不能满足设计需求的情况下，我们采用以物探为主的综合勘探手段是必不可少的。高密度电法、电测深法、浅层折射波法、浅层反射波法、电测深法，以上通用的物探手段[2]，要求地形起伏平缓，测试深度较浅[3]，也不能很好的解决特长深埋且地形起伏大的隧道勘察问题。
电磁法勘探是物探的重要勘探方法之一，被广泛用于深埋隧道勘察、煤窑采空区探查、金属矿探测、找水等众多领域[4-7]。而EH4高频大地电磁测深法[8]，可选频率为10Hz～100KHz，分辨率高、野外操作简单、采集参数多、信息丰富，也可解决可控源大地电磁法和传统音频大地电磁法对中浅部分辨率不够的问题。
1 高频大地电磁测深法的工作原理
不同的岩层具有不同的电阻率值，电法勘探就是通过测定地下不同地点不同深度地层的电性差异来达到寻找目标地质体的目的。
大地电磁法是通过观测天然变化的电磁场水平分量，将电磁场信号转换成视电阻率曲线和相位曲线，然后反演求得各地层的电阻率和厚度值的物探方法。
本次工作选用美国EH～4连续电导率剖面仪，这套仪器是一种用来测量地下几米到一公里多深的地球电阻率的特殊大地电磁测深仪器。它既可以使用天然场源的大地电磁信号，又可以使用人工场源的电磁信号，以此来获得测量点下的电性结构。
由野外测量获取的数据，经傅立叶变换后以能谱存储起来，这些通过能谱值计算出来的表面阻抗是一个复杂的频率函数，在这个频率函数中，高频数据受到浅部或附近的地质体的影响，而低频数据受到深部或远处地质体的影响。一个大地电磁测量给出了测量点以下垂直电阻率的估计值，同时也表明了在测量点的地电复杂性。在那些点到点电阻率分布变化不快的地方，电阻率的探测是一个对测量点下地电分层的一个合理估计。
2 数据采集与处理
EH－4连续电导率成像仪进行音频大地电磁测量，目前还没有统一的标准和规范。因此，野外测量过程中除参照《大地电磁测深法技术规程》、《可控源音频大地电磁测深法技术规程》外，根据仪器特点和音频大地电磁测量方法要求，结合前人工作经验，本次工作中对野外施工严格要求。野外质量检查点都是同一坐标位置、同一仪器、相同装置、不同操作员进行的重复采集点。
（1）工作区共完成大地电磁测量点222个，检查点5个，检查点占总工作量的2.5%。
野外观测数据经过初步整理，采用EH4仪器自带反演软件处理视电阻率—视深度数据，再经过地形改正，绘制成视电阻率拟断面等值线图，根据视电阻率等值线图的变化特征，结合地层岩性、构造及以往地质情况，对物探异常进行正确的解释推断，圈定各异常区范围及位置。
3 应用实例
3.1 工程概况
舟曲立节至四川永和公路是甘肃省省道网和舟曲县干线路网的组成部分，也是甘肃南部通往四川方向的省际出口道路，扎尕梁隧道为舟曲立节至四川永和公路的控制性工程，全长5782m，最大埋深985m。隧址区位于甘肃南部，东邻陕西，南接四川，地理位置位于东经104°01′至106°36′，北纬32°36′至34°32′，构造上属三叠系博峪河组地层组成的向斜左翼，由三叠系地层组成一个向北东倾斜的复杂单斜构造，次一级褶皱发育，层间褶皱更为复杂，岩层大体倾向NE/50°-75°。隧道进口基岩出露，为三叠系博峪河组板岩，出口段上部覆盖有厚度不等的坡积碎石土，下部亦为三叠系博峪河组板岩，区内发育的主要地层为三叠系博裕河组砂质板岩、石英砂岩、灰岩，夹薄层千枚岩。隧道区属自然保护区，山高林密，在钻探实施困难的情况下，为探明隧址区的构造发育情况、地下水分布情况、地层岩性、岩体破碎带等地质问题，在研究和吸取国内外特长深埋隧道勘察经验的基础上，选择了目前国内较为先进的EH4高频大地电磁测深法进行勘探，共完成纵向剖面一条，长6000m，弥补了钻探不足和异常点勘探问题。
图1 数据处理流程图
3.2 采集方法
1、工作参数选择
根据工区地层类型及勘探目的，选择测深点距30m，工作频率为10HZ～100KHZ。
2、野外工作方法
a观测点的布置：电偶极方向采用罗盘，水平尺指示，卷尺测量偶极距离，并进行地形改正，平距误差小于1m，方位差小于1°
b平行试验：在正式开展工作前做平行试验，检测仪器是否工作正常，若两个方向通道的波形形态和强度基本一致，说明仪器工作正常。
c电极布置：工作中使用4个电极，每两个电极组成一个电偶极子，电偶极子方向互相垂直，用森林罗盘定向，误差小于1°；电偶极子的长度用卷尺测量，误差小于0.5m。
d磁棒布置：磁棒距前置放大器大于5m，埋在地下以减少人文因素干扰。两磁棒用森林罗盘定向相互垂直并水平，误差小于1°。工作人员离开磁棒至少5m，尽量选择原离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。
e主机布置技术：主机要放在远离前置放大器至少5m的一个平台上。
上述物探工作的野外作业技术要求按照相关规范执行。观测仪器为美国劳雷公司产EH～4（连续电导率剖面仪）。深部采集天然电场及磁场信号，浅部天然电场及磁场信号较弱频段用人工源增强后采集，信号叠加14次。
3.3 资料处理与解译
野外观测数据经过初步整理，采用EH4仪器自带反演软件处理视电阻率—视深度数据，再经过地形改正，绘制成视电阻率拟断面等值线图，数据处理流程参见图1。
如图2所示，中上部红色曲线代表电道X方向视电阻率曲线，蓝色曲线代表磁道Y方向视电阻率曲线；下部红色曲线代表电道Y方向视电阻率曲线，蓝色曲线代表磁道X方向视电阻率曲线。由于本次工作选用方法为标量法，因此数据处理中只用到上部红色曲线，即电道X方向视电阻率曲线。
先根据野外施工方向对原始资料进行排序，通过初步的资料质量筛选，剔除干扰较重原始资料质量较差的数据点，然后进行傅里叶变化及参数计算。图3为傅氏变换及计算后118测点视电阻曲线，曲线中可以看出电阻率随深度变化的基本趋势。从相位及相干度可以判别各测点数据质量。
图3傅里叶变换后118测点视电阻率及真电阻率曲线
根据该项目的实际情况，静态校正选用的方法为空间滤波法。图4为滤波及频点校正处理后118测点视电阻曲线，通过滤波基本消除了曲线中野值成分，曲线更光滑，连续性更好。
图4 118测点滤波及频点校正前后对比图
图5为静态校正前后各测点视电阻曲线，通过静校正将各测点电阻率值控制在一定范围内，使电阻率剖面连续性更好。
图5 041测点静态校正前后对比图
在二维构造情况下，一般构造走向规定为TE极化，与之对应的是TM极化，两方向相互垂直。数据处理时，选取曲线末端有上升趋势的那支作为TE极化，或是把所有电阻率按照频率高低排列起来，变化不大的就是TE极化。
通过二维反演，将各测点数据放入地质模型迭代，最终获取全剖面电阻率断面图，通过数据处理，得到大地电磁视电阻率剖面，如图6。从处理结果上可以看出，剖面上电阻率高低阻特征与地质结构特征吻合，不同岩性电阻率值变化差异较明显，异常显示清晰，能够进行下一步解释工作。
图6 DD1测线大地电磁视电阻率反演剖面图在测线范围内，
地表出露有第四系坡积物，风化程度不同的板岩及石英砂岩。图7为DD1测线大地电磁视电阻率解释剖面图，从图中可以看出，横向上测线里程3900附近，两侧电阻率值明显不同，结合地调分析认为，该处为岩性接触面，左侧为风化程度不同的板岩及石英砂岩，电阻率相对较高；结合地表基岩出露情况，右侧以风化程度不同的板岩为主，可能与入口一侧的板岩存在时代及成分差异，整体电阻率相对较低，岩体完整性较差。岩性接触面两侧由于构造挤压，存在节理密集带，推测密集带宽度300米。基岩纵向方面，表层较富水，局部表现为低阻，向下进入强风化、中风化基岩，电阻率值逐渐升高。
图7 DD1测线大地电磁视电阻率解释剖面图
物探测线里程4400～5200，标高2500～2300存在明显低阻异常，推测可能为岩层裂隙水的富水区，由于该位置低于隧道标高，对隧道施工影响较小。
全剖面未出现大规模向下凸起的低阻异常，分析认为没有较大的断层发育，但是由于地层产状近直立，浅表层裂隙较发育。
本次工作共解释三个层位，定名为T1、T2、T3，其中，T1为覆盖层底界面，厚度1～50m不等；T2为强风化基岩底界面，厚度50～150m不等；T3为中风化基岩底界面，厚度200～300m。在物探测线里程3900米处，小里程方向呈现出较高的电阻率，岩体较完整；大里程方向电阻率相对较低，推测岩体较破碎。
4 结束语
在工程地质勘察过程中，经常会遇到山大沟深、通行困难的情况，且钻探工作只能解决一个点的工程地质问题，此时物探手段在前期勘察中则显得尤为重要。特别是针对长大深埋隧道勘察时，大地电磁勘探能够有效反应地质情况在纵向垂向的分布情况，有效的解决了地质情况的连续性，也为钻探工作的开展提供了一定的依据。
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论文作者:杨大辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/16
标签：电阻率论文; 电磁论文; 大地论文; 隧道论文; 曲线论文; 物探论文; 地质论文; 《基层建设》2018年第28期论文;