V8可控源音頻大地電磁法在鐵路隧道不良地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

1、(1. 河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司，河北 保定 071051 ;2. 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地勘巖土公司，成都 610031 )摘要: 鐵路隧道不良地質(zhì)調(diào)查是規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)的重要方面， 高效快捷的可控源音頻大地電磁法利用不同巖性和相同巖性不同輔存結(jié)構(gòu)間所反映的電性特征差異， 可以較好地進(jìn)行圍巖級(jí)別劃分和 斷裂破碎帶判別，為隧道設(shè)計(jì)和施工提供資料依據(jù)。 文章結(jié)合云桂線鐵路定測(cè)階段的施工， 選擇 了灰?guī)r、砂頁巖、板巖及含礦圍巖等典型地段具體實(shí)例， 對(duì)圍巖分級(jí)和不良地質(zhì)體圈定進(jìn)行了分 析，并認(rèn)為在隧道施工中兼顧礦產(chǎn)資源勘查也是必要的。關(guān)鍵詞: 可控源音頻大地電磁; 鐵路隧道; 不良地質(zhì)現(xiàn)象

2、; 電阻率p631. 3 + 25b中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:application of v8csamt on railway tunnel anomaly rock explorationxu xinxue1 ，wu zhenggang2 ，wang shenlong1 ，fei haiyan1 ，dai tao1(1. surveying and mapping co. ltd of hebei jiuhua，baoding 071051 ，china;2. china railway no. 2 engineering group co. ltd，chengdu 610031 ，chin

3、a)abstract: to survey anomaly geological rock is important on railway tunnel construction and one of theimportant method is csamt. the principle of csamt is based on electrical characteristics of different lithology and auxiliary storage structure of different lithology. to make full use of electric

4、al characteristics， the levels of wall rock and fracture for rail tunnel construction design can be determined. the profile across limestone，sandstone，shale，slate on yungui railway tunnel is a real example for rock grading standards and anomaly geological discriminant principle. the mineral resource

5、 exploration following the railway tunnel investigation shall also be considered.key words:csamt; railway tunnel; anomaly rock; inversion profile of resistivity水平分辨率強(qiáng) ( 點(diǎn)距 一 般 10 20 m ) 、 縱 向 頻 點(diǎn) 數(shù)靈活 ( 可靈活設(shè)置頻率表范圍和頻點(diǎn)數(shù)) 、 受 高 阻 屏蔽作用小、對(duì)低阻層 ( 體) 反映靈敏、 探測(cè)深度 適中等優(yōu)點(diǎn); 同時(shí)采用單發(fā)雙收或雙發(fā)雙收可極大 降低生產(chǎn)成本和提高工作效率，因而在鐵路隧道勘

6、察階段得到廣泛推廣和使用。 文章結(jié)合云桂線定測(cè) 階段可控源成果進(jìn)行具體實(shí)例分析。引言0鐵路隧道洞身穿過地段的斷裂破碎帶、 軟弱或含水巖體、巖溶發(fā)育等地質(zhì)現(xiàn)象是隧道施工過程中 的巨大隱患，先期的不良地質(zhì)調(diào)查可規(guī)避可能存在 的巨大 施 工 風(fēng) 險(xiǎn)1 ，2 。 隧 道 洞 身 埋 深 多 超 過 百 米，直接有效的方法當(dāng)然是鉆探，但由于其間距大，成本高且效率低，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)缺乏代 表性，因而，采用高效快捷的高密度陣列測(cè)深法有 比較現(xiàn)實(shí)的意義。研究表明完整巖體和破碎、 軟弱 巖體以及富水和巖溶發(fā)育區(qū)在電阻率參數(shù)上存在明 顯差異，通過研究電阻率參數(shù)的變化及差異可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)不良地 質(zhì) 體 和

7、圍 巖 級(jí) 別 的 劃 分。 v8 可 控 源 音 頻大 地 電 磁 法 ( csamt ) 是 主 動(dòng)源頻域電磁 測(cè) 深 法，具有工作效率高 ( 單排列可采集 9 個(gè)測(cè)深點(diǎn)) 、工作方法及參數(shù)選擇1csamt 法野 外 測(cè) 量 采 用 赤 道 偶極裝置進(jìn)行標(biāo) 方 式 觀 測(cè)3 。 選 擇 發(fā) 射 源 位 置 時(shí) 應(yīng) 結(jié) 合量( tm )收稿日期: 2009 -08 -28 ; 修訂日期: 2009 -11 -09作者簡(jiǎn) 介: 徐 新 學(xué) ( 1970 ) ， 男 ( 漢 族 ) ， 山 東 青 州 人，碩士，高級(jí)工程師.列計(jì)算，獲得視電阻率和相位，繼而進(jìn)行初選編輯后輸出處理軟件所需要的文件格

8、式。 礎(chǔ)上再次進(jìn)行數(shù)據(jù)的剔非值、 去噪、 圓滑、 處理。2. 2 靜態(tài)識(shí)別與校正靜態(tài)效應(yīng)是頻域電磁法普遍存在的問題 的好壞直接影響到資料的解釋結(jié)果。 引起靜 要原因是地表電性體橫向不均勻性引起的電 效應(yīng)4 。相對(duì)于相鄰測(cè)點(diǎn)而言，受靜態(tài)影響 阻率曲線形態(tài)連續(xù)性基本是一致的，僅表現(xiàn) 對(duì)數(shù)坐標(biāo)中整體的上升或下降，相位曲線的 位置不 受 影 響， 否 則， 應(yīng)考慮與地質(zhì)構(gòu)造 關(guān)。圖 1 ( a) 相 鄰 測(cè) 點(diǎn) 的 曲 線 形 態(tài) 相 似，距選擇原則是保證接收站在遠(yuǎn)區(qū)范圍且信號(hào)強(qiáng)度足夠大，一般要求收 發(fā) 距 不 小 于 10 km，供 電 電 流 11 19 a，因而處理接地電阻是施工順利開展的保證;

9、 為增加觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度兼顧供電線質(zhì)量，供電距一 般選擇 2 3 km。接收距 mn 一般為 20 m，觀測(cè)曲線 的不連續(xù)或誤差棒大多是信號(hào)弱的表現(xiàn)，需增大供 電電流。頻率表參數(shù)設(shè)置遵循趨膚深度公式，也就 是根據(jù)勘探深度和圍巖的電阻率設(shè)置，同時(shí)兼顧工 作效率，通過加密測(cè)點(diǎn)可一定程度上提高縱向分辨 率。發(fā)射機(jī)按 頻 率 表 循 環(huán) 發(fā) 射 基 于 每 天 utc 時(shí) 間00 : 00 : 00 的波 形，高 頻 最 大 發(fā) 射電流與供電線感 抗相關(guān)，可以通過拐點(diǎn)頻率的設(shè)置來調(diào)整。2資料處理沿坐標(biāo)軸 的 整 體 平 移，圖 1( b )經(jīng) 剖 面 漢數(shù)據(jù)解編濾波后受靜態(tài)影響的曲線得到較好的歸一。2.

10、 1可 控 源 資 料 的 預(yù) 處 理 首 先 是 利 用 自 身v8圖 1 測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線靜態(tài)校正前后對(duì)比2. 3資料反演v8 可控源反演配套 軟件 一 般為專用于大 地 電盤江坳陷、馬關(guān)隆起、昆明盆地等構(gòu)造單元資料統(tǒng)計(jì)表明: 砂巖、泥巖、 板巖及頁巖的 值低，在 10 200 m;灰?guī)r的電阻率最高， 達(dá)幾千甚至上萬歐姆米; 斷裂破碎帶、 富水 發(fā)育、礦化區(qū)電阻率相對(duì)圍巖則明顯偏低。3. 2 解譯原則csamt 法屬 于 電 磁 類 物 探 方 法， 利 用 同地層或同一地層中不同賦存結(jié)構(gòu)之間電阻 差異，依阻值高低及分布形態(tài)來判識(shí)地層界 質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)體，繼而實(shí)現(xiàn)隧道圍巖分 響巖 ( 土

11、) 電阻率大小的主要因素是礦物成 構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等。 解譯時(shí)應(yīng)遵循定性 認(rèn)識(shí)與地質(zhì)剖面調(diào)查、鉆探相結(jié)合的原則。 于隧道實(shí)際地質(zhì)情況和二維反演剖面整體電 值大小來確定劃分圍巖級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)，而后根 的巖性中電性特征圈定不良地質(zhì)現(xiàn)象。 局部 育、破碎、軟弱或含水巖體在電測(cè)深曲線上磁處理的 mtsoft 2 d 和地球 物 理 非 地 震 處 理 軟 件 包winglink。前者接口 友 好， 反 演 信 息 豐 富， 在 降 低 靜態(tài)效應(yīng)和二維反演方面有其獨(dú)到之處，但電阻率 反演模型 的優(yōu)化 需 結(jié)合 一定 的先期經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)認(rèn) 識(shí); 后者二維反演模型采用非線性共軛梯度法，可 進(jìn)行用戶自定義的帶地形

12、二維電阻率反演，能有效 地降低因地形等因素造成的靜態(tài)影響，其模型初始 設(shè)置和參數(shù)選擇比較關(guān)鍵。3應(yīng)用實(shí)例3. 1基本概況新建鐵路云桂線起于廣西南寧市，經(jīng)隆安、 平 果、田東、田陽、 百 色， 云 南 富 寧、 廣 南、 丘 北、 石 林、 宜 良， 終止于昆明市南 站。 鐵 路 線 全 長(zhǎng)745. 7 km，沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖性變化大，穿過南異常; 斷裂破碎帶及影響帶在曲線上多表現(xiàn)為橫向突變、不連續(xù)，電阻率斷面圖上多表現(xiàn)為成條帶狀 或串珠狀低阻異常，等值線梯度變化最大處對(duì)應(yīng)破 碎帶的邊緣; 巖性邊界在曲線上 表現(xiàn)為橫向突變， 在電阻率斷面上表現(xiàn)為梯度帶兩側(cè)電阻率阻值的明 顯差異或高低阻團(tuán)塊狀

13、相間的過渡帶。碎、軟弱巖體或較完整基巖的電性反映; 第二類為q、h、qh 型，首支上升及下降均較緩，巖體相對(duì) 較完整。兩種曲線在上升或下降過程中局部的平直或下凹與不良地質(zhì)體的存在有關(guān)，如相對(duì)整條剖面而言出現(xiàn)連 續(xù) 多 個(gè) 測(cè) 點(diǎn)，且 總 體 上電阻率值偏低，則考 慮斷層破碎帶的存在。 圍 巖 分 級(jí) 如 圖 3 ( a )所示，在電阻 率 斷 面 圖 中 dk491 + 740 dk491 +800 和 dk492 + 430 dk492 + 455 兩 段 洞 身 附 近，電阻率等值線畸變，成低阻團(tuán)塊狀圈閉，相對(duì)圍巖阻值變化大，灰?guī)r內(nèi)部的低阻圈閉多與巖溶發(fā)育富 水關(guān)系密切，表明該段巖體極破碎

14、、 極軟弱或巖溶 強(qiáng)烈發(fā)育。在 dk493 + 550 dk493 + 635 段電阻率 普遍偏低，近地表相對(duì)偏高，約上萬歐姆米，其洞 身下部等值線畸變，片狀低阻范圍較大，電阻率阻圖 2 不良地質(zhì)典型視電阻率相位曲線3. 3成果分析根據(jù)鐵路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，宏觀上可以把物探數(shù)據(jù)解釋的異常區(qū)域等 級(jí) 與 圍巖 級(jí) 別 相 對(duì) 應(yīng)5 。以表 1 灰 巖 ( 板、 砂、 頁 巖 ) 為 代 表 的 高 阻 ( 低 阻) 分布區(qū)圍巖級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)為例，物探 類異常 對(duì)應(yīng)極 破 碎、 極 軟弱 或 富水巖體或巖溶 強(qiáng) 烈 發(fā) 育 區(qū)，電阻率小于 150 m (10 m ) ; 物探 類對(duì)應(yīng) 破碎、軟弱或含

15、水巖體或巖溶中等發(fā)育區(qū)，電阻率 阻值在 150 560 m(10 40 m ) ; 物探類異常 區(qū)域?qū)?yīng)較破碎和較軟弱巖體，電阻率阻值在 560 2000m(40 200m ); 物探類異常區(qū)域?qū)?yīng)較 完整巖體，電阻率阻值大于 2000m(200m)。異常區(qū)域等級(jí)劃分需依據(jù)隧道穿越的巖性地質(zhì)構(gòu)造整 體情況和反演斷面圖中電阻率阻值大小、 變化 ( 梯度) 以及低阻異常形態(tài)、高阻 ( 低阻) 空間展布等 特征，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、 測(cè)繪及鉆探資料，重點(diǎn)判釋隧道洞身附近。由此知，不同巖性、 不同工段在 級(jí)別劃分上標(biāo)準(zhǔn)存在差異，地質(zhì)地層的綜合認(rèn)識(shí)是隧道圍巖級(jí)別劃分和成果認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。值在 100 m 以 下

16、; 該段附近沿線存在溝谷河流，其低阻電性特征與巖體極破碎、 極軟弱、 巖溶強(qiáng)烈發(fā)育富水密切相關(guān); dk492 + 875 dk493 + 265 段 兩側(cè)等值線呈密集梯度變化，其間存在縱向條帶狀 和串珠狀分布的低阻閉合圈，為斷層破碎帶及影響 帶。在上述地段施工中要注意預(yù)防涌水、 突泥和塌方等不良地質(zhì)現(xiàn)象，并做好隧道超前預(yù)報(bào)工作。低阻分布區(qū)3. 3. 2研究區(qū)上覆第四系粘土及碎石土，部分地段可見風(fēng)化破碎的變質(zhì)板巖、 片巖或炭質(zhì)頁巖、 白云巖 及零星鐵鎂質(zhì)火成巖。電性特征主要表現(xiàn)為電阻率 普遍偏低 (10 200 m) ，且低阻異常體多呈片狀展布，局部地段僅見少量高阻團(tuán)塊或條帶，圍巖總體上極破碎、

17、極軟弱富水或礦化。視電阻 率 曲 線 相 對(duì) 比 較 簡(jiǎn) 單， 一 類 為 q、 h型，高頻段電阻率值較高，繼而緩慢下降，表明地 表電阻率較高，隨著深度的增加，電阻率值逐漸降 低，說明淺部基巖相對(duì)完整，中深部基巖破碎、 富水、巖溶發(fā)育或巖體金屬礦化。二類為 k 型，曲線高頻段電阻率值較低，進(jìn)而緩慢上升，表現(xiàn)為相對(duì) 緩平的上凸畸變，尾支曲線下降較快，反映了淺部 基巖風(fēng) 化 破 碎、 中 部 基 巖 相 對(duì) 完 整、 深 部 基 巖 破 碎、軟弱富水或 礦 化 的 電 性 特 征。 如 圖 3 ( b ) 所 示，在 dk360 + 300 段附近兩側(cè)電阻率值發(fā)生比較高阻分布區(qū)3. 3. 1隧道洞

18、身穿越地段為石炭二疊系灰?guī)r，多伴有喀斯特地貌，巖溶發(fā)育。 電性特征表現(xiàn)為電阻率 以高阻為背景，阻值在幾千至上萬歐姆米，局部偶夾團(tuán)塊狀或片狀低阻，阻值小于 1000 m，圍 巖 總 體上較完整，巖溶較發(fā)育。灰?guī)r區(qū)電阻率類型大致分兩類，一類為 kh、k型，曲線首支總體表現(xiàn)為 a 型，上升變化緩慢，為 淺部風(fēng)化地層的電性反映 ，而 后 平 緩 上 升 ，為 較 破極破碎、 極軟弱、 巖溶強(qiáng)烈發(fā)育或富水巖體 ( )破碎、 軟弱、 巖溶中等發(fā)育或含 水巖體 ( )較破碎或巖溶弱發(fā)育巖體 ( ) 較完整巖體 ( )斷層破碎帶及影響帶150150 560560 20002000100 20001010 4040 20020010 100500 m，從低阻體的展布形態(tài)上看也表現(xiàn)出片狀分布和近帶狀低阻分布的差異。 該段左側(cè)是含鐵鎂質(zhì)阻率等值線表現(xiàn)出明顯的梯度變化，兩側(cè)電也存在明顯的差異。注: 等值線標(biāo)注數(shù)值為電阻率值取對(duì)數(shù); 、 、 、 的劃分同表 1圖 3 云桂線典型地段物探解釋斷面圖巖體中導(dǎo)電礦物的含量直接影響到了圍巖的分級(jí)，一般來講火山巖的電阻率偏高，而含鐵鎂質(zhì)火 山巖的電阻率值則偏低，該段分布的片狀低阻塊體 與金屬 礦 床 的