EH4大地电磁测深法在隧道勘察中应用及所受干扰的分析

EH4大地电磁测深法在隧道勘察中应用及所受干扰的分析

[摘要]将EH4高频大地电磁测深法应用于长大深埋隧道------洞湾隧道岩溶、构造、岩性的勘察，通过与钻探及地质调绘的资料对比，EH4音频大地电磁法可以在宏观上查明深埋隧道岩溶发育状况、地质构造及地层岩性分界，为钻孔布置及隧道设计、施工提供地球物理依据，在长大深埋隧道勘察中能达到较为理想的效果。但影响勘察结果的外部因素很多，深埋中的钢筋支护对勘察效果影响十分明显。

[关键词] EH4高频大地电磁测深 深埋隧道 洞湾隧道 干扰影响

洞湾隧道是赤水至望谟（仁怀至赤水段）高速公路中的一座长隧道，隧道正在开挖施工，在施工过程中发现在右洞（里程YK66+488左右）的右侧壁出现大溶洞，宽约10～20m，高约30～40m，往小里程顷斜，与右洞轴线小角度相交，本次勘查的重点在于探明洞湾隧道未开挖段的岩溶发育状况，通过采用EH4高频大地电磁测深法，取得了较为显著的效果，对后期的隧道开挖工作有较大的指导意义[1-2]。

1 EH-4工作方法及原理

本次勘测方法原理与传统的MT法一样，它是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，又称一次场，该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，此感应电磁场与一次场是同频率的，引入波阻抗Z。在均匀大地和水平层状大地情况下，波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值[3-4]。

式中f是频率，单位是Hz，ρ是电阻率（Ω·M ），E是电场强度（mv/km），H是磁场强度（nT），φE是电场相位，φH是磁场相位，单位是mrad。必须提出的是，此时的E与H，应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场，简称总场。在电磁理论中，把电磁场（E、H）在大地中传播时，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）

由（4）式可知，趋肤深度（δ）将随电阻率（ρ）和频率（f）变化，测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。

StrataGem电磁系统野外工作有两种工作方式：一种是单点测深，另一种是连续剖面测深，选用何种方式由研究任务确定。该系统通常采用天然场源，只有在天然场信号很弱或者根本没有信号的频点上，才使用人工场源，用以改进数据质量，提高数据信噪比。StrataGem电磁系统可以在0.1Hz至100KHz的宽频范围内采集数据，为确保数据质量与工作实效，上述频带又分成四个频组：

一频组：0.1Hz-1KHz

二频组：10Hz-1KHz

三频组：300Hz-3KHz

四频组：1.5KHz-99KHz

具体观测中使用哪几个频率组，可视情况灵活掌握。在野外能实时获得的Hy、Ex、Hx、Ey振幅，ΦHy、ΦEx、ΦHx、ΦEy相位，一维反演和二维电阻率成象结果。在室内数据处理后，可获得二维正、反演结果等。

2 EH-4系统野外工作方法与技术

（1）观测点的布置：通过GPS进行定点，要求点位差小于0.5m，方位差小于0.2°；

（2）在开展工作的前一天一定要做平行试验，检测仪器是否工作正常，要求两个磁棒相隔2～3m，平行放在地面，两个电偶极子也要平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号；

（3）电极的布置技术： 如图1所示，我们这次工作共用四个电极，每两个电极组成一个电偶极子，为了便于对比监视电场信号，其长度等于点距，与测线方向一致的电偶极子叫做X-Dipole；与测线方向垂直的电偶极子叫做Y-Dipole。为了保证Y-Dipole电偶极子的方向与X-Dipole的相互垂直，用森林罗盘仪确定方向，误差 ；电偶极子的长度用测绳测量，误差在 m；

（4）磁棒布置技术：磁棒离前置放大器应大于5m，为了消除人文干扰两个磁棒要埋在地下至少5cm，用地质罗盘定方向使其相互垂直，误差控制在 ，且水平。所有的工作人员要离开磁棒至少10m，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒。

（5）AFE（前置放大器）布置技术：电、磁道前置放大器放在测量点上，即两个电偶极子的中心，为了保护电、磁道前置放大器应首先接地，远离磁棒至少10m；

（6）主机布置技术：主机要放置在远离AFE（前置放大器）至少20m的一个平台上，而且操作员最好能看到AFE和磁棒的布置。

（7）资料数据处理方法：

野外采集的时间序列的数据进行预处理后，再现场进行FFT变换，获得电场和磁场虚实分量和相位数据。并且，进行现场一维BOSTIC反演；在一维反演的基础上，利用EH-4系统自带的二维成像软件进行快速自动二维电磁成像。为了提高分辨率，二维电磁成像的系数选为0.5。同时，选择较小的像素（横向和纵向都为93），使反演数据得到加密，从而突出相对微弱低阻异常。

3洞湾隧道的物探勘察

3.1隧址概况

在建的洞湾隧道位于习水县回龙镇洞湾村境内，从村庄北缘穿过，隧道进口位于梨子坳南西侧400m处封岩沟西坡下部，洞身穿越区内南北向大营上山脉，深大沟谷发育，地形高差较大，隧道出口位于下院子岩东侧，距离村庄约200m，回龙镇～习水县城乡村公路从隧道洞身上方经过，交通较不方便。隧道走向呈近东西向，稍呈“S”形线展布。隧道采用分离式，其中：左洞起讫桩号ZK66+164～ZK68+290，总长2126m；右洞起讫桩号YK66+205～YK68+290，总长2085m。隧道净空10.25×5.0m，洞门型式仁怀端为端墙式，赤水端为削竹式，采用电光照明，机械通风。

在建隧道路面标高：进口处左线1031.250m，右线1031.269m；出口处左线1077.922m，右线1074.529m。路面纵向坡度左线+2.4213%～2.1%，右线+2.434%。隧道最大埋深约310m。目前隧道分别从进、出口双向施工，进口段左线已施工至ZK66+710（2011年12月20日）、右线已施工至YK66+515（2011年12月20日）；出口段左线已施工至ZK67+944（2011年12月21日）、右线已施工至YK67+930（2011年12月21日）。

3.2地球物理特征

在一般情况下存在断层、岩性发生变化、岩溶、节理发育、岩石破碎含水时视电阻率会呈现相对低阻状态、一些空腔型溶洞在电性上会表现为高阻反应，一些物探异常区域以此来判定，具体情况应结合实际地质测绘资料来进行判断。

3.3测线布置及数据采集

根据掌握的该区地质资料和物探工作的技术要求，物探测线沿隧道线路贯通，在地表沿推荐线方案左、右线隧道轴线布置，点距采用20m，异常地段复核调查。

3.4室内资料处理与解释

3.4.1资料成果

资料按前述方法进行处理，用相关软件进行反演成图，再参考地质资料进行解释，具体解释结果如下。

3.4.2 资料解释

隧道穿越的地层比较复杂，隧道区地层岩性由新至老为第四系土层（Qdl+el）和志留系下统龙马溪组（S1l）泥岩、奥陶系中统～上统（O2～3）灰岩、奥陶系

下统湄潭组（O1m）灰岩夹泥岩、页岩组成。

整条测线于隧道洞身附近发现5处低阻异常，4处推测为岩溶，由于其具有低阻特性，推测应为空腔型岩溶。此5处低阻异常里程分布为

ZK66+840-ZK66+960异常梭状封闭圈，倾向大里程分布在隧道洞身；该段还存泥岩、页岩夹岩的可能；异常中心位置埋深约为230～250m。

ZK67+000-ZK67+050异常芽胞状，等值线互斥，异常在隧道洞身上方；异常中心位置埋深约为130～150m。

ZK67+120-ZK67+180异常至地表而下穿过隧道洞身，洞身附近有梭状封闭圈；整体上呈漏斗状，推断与地表的落水洞是相连通的。

ZK67+220-ZK67+280异常呈漏斗状，穿切隧道洞身，发育溶蚀的可能性大；

ZK67+400-ZK67+470异常在隧道洞身附近呈梭状封闭圈，结合实际地质资料，该区域为页岩夹层。

右洞物探成果解释：根据YK66+440-YK66+630左10mEH-4大地电磁测深成果图右洞左10m测线上共发现一处断层或岩性分界线，地面里程为YK66+490，由小里程向大里程方向倾斜；隧道洞身附近发现一处异常，电阻率等值线凌乱，电阻率偏低，推测为岩溶，岩石破碎、含水，里程位置为YK66+460-YK66+530。

根据YK66+460-YK67+600段EH-4大地电磁测深成果图，右洞YK66+600之前受隧道洞身影响，电性发生改变，对解译带来一定的影响。

整条测线于隧道洞身附近发现5低阻异常，4处推测为岩溶，由于其具有低阻特性，推测应为空腔型岩溶。此5处低阻异常里程分布为：

YK66+490-YK66+570该处异常呈芽胞状、梭状封闭圈，推断为岩洞。

YK66+780-YK66+970该处可能存在裂隙，亦可能发育岩溶，异常形状为贯穿漏斗形、封闭圈形；该段还存在泥岩、页岩夹层的可能性。

YK66+980-YK67+070异常呈封闭圈状，大部在隧道洞身上方；

YK67+150-YK67+220异常位于之前提到的断层或裂隙处，受断层影响，该处存在岩溶的可能性大；

YK67+410-YK67+480异常呈贯穿漏斗状，结合实际地质资料，该区域为页岩夹层。

本次勘察中，两条断层已经开挖，十分明显，YK66+488的右侧壁开挖出了大溶洞；洞湾隧道为在施工中的隧道，左右隧道钢筋支护到了K66+495左右的地方，因此本次勘察在此采集的数据十分混乱，明显受开挖隧道中钢筋支护的影响，未出现与地质灾害相匹配的物探异常；并且YK66+440-YK66+630左10米与YK66+460-YK67+600段的数据相差仅10米，却毫无相似性，分析左右线资料，数据在K66+750左右开始逐渐正常，钢筋支护的影响消失，因此钢筋支护影响范围至少有150米。

4结语

（1） EH4电磁测深法具有工作效率高、探测深度大、分辨率高、受地形影响相对较小等特点，在100一l 000 m深度范围内，能发现所有的电阻率差异较大的高、低阻不均匀体，是公路长大深埋隧道勘察的一种行之有效的手段。

（2） EH4电磁测深法容易受到外界电磁场的影响，比如正在施工隧道中的钢筋支护，附近架设的高压线等，因此施工时应尽量减少此类干扰源。

参考文献

[1] 陈仲候，王兴泰，杜世汉.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社，2005.

[2] 李才明.重磁勘探教程[M].成都理工大学信息工程学院，2006.2.

[3] 刘国栋.大地电磁测深研究[M].地震出版社1981.6.

[4] 陈乐寿等.大地电磁测深资料处理与解释[M].地震出版社.

[5] 钟邱平等 EH4高频电磁测深在断层构造探测中的应用研究，四川地震，2012.2（183）：42-47.

[6] 宫悦，钟邱平，雷宛，等.EH4电磁成像系统在铁路隧道勘探中的应用[J].勘察科学技术，2011，1：49-5.