V8可控源音频大地电磁法在铁路隧道不良地质勘察中的应用

(1. 河北九华勘查测绘有限责任公司，河北 保定 071051 ;2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司地勘岩土公司，成都 610031 )摘要: 铁路隧道不良地质调查是规避施工风险的重要方面， 高效快捷的可控源音频大地电磁法利用不同岩性和相同岩性不同辅存结构间所反映的电性特征差异， 可以较好地进行围岩级别划分和 断裂破碎带判别，为隧道设计和施工提供资料依据。 文章结合云桂线铁路定测阶段的施工， 选择 了灰岩、砂页岩、板岩及含矿围岩等典型地段具体实例， 对围岩分级和不良地质体圈定进行了分 析，并认为在隧道施工中兼顾矿产资源勘查也是必要的。关键词: 可控源音频大地电磁; 铁路隧道; 不良地质现象; 电阻率P631. 3 + 25B中图分类号:文献标识码: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 ，China)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 electrical 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 exploration following the railway tunnel investigation shall also be considered.Key words:CSAMT; railway tunnel; anomaly rock; inversion profile of resistivity水平分辨率强 ( 点距 一 般 10 20 m ) 、 纵 向 频 点 数灵活 ( 可灵活设置频率表范围和频点数) 、 受 高 阻 屏蔽作用小、对低阻层 ( 体) 反映灵敏、 探测深度 适中等优点; 同时采用单发双收或双发双收可极大 降低生产成本和提高工作效率，因而在铁路隧道勘 察阶段得到广泛推广和使用。 文章结合云桂线定测 阶段可控源成果进行具体实例分析。引言0铁路隧道洞身穿过地段的断裂破碎带、 软弱或含水岩体、岩溶发育等地质现象是隧道施工过程中 的巨大隐患，先期的不良地质调查可规避可能存在 的巨大 施 工 风 险1 ，2 。 隧 道 洞 身 埋 深 多 超 过 百 米，直接有效的方法当然是钻探，但由于其间距大，成本高且效率低，特别是在地质条件复杂地区缺乏代 表性，因而，采用高效快捷的高密度阵列测深法有 比较现实的意义。研究表明完整岩体和破碎、 软弱 岩体以及富水和岩溶发育区在电阻率参数上存在明 显差异，通过研究电阻率参数的变化及差异可以实 现对不良地 质 体 和 围 岩 级 别 的 划 分。 V8 可 控 源 音 频大 地 电 磁 法 ( CSAMT ) 是 主 动源频域电磁 测 深 法，具有工作效率高 ( 单排列可采集 9 个测深点) 、工作方法及参数选择1CSAMT 法野 外 测 量 采 用 赤 道 偶极装置进行标 方 式 观 测3 。 选 择 发 射 源 位 置 时 应 结 合量( TM )收稿日期: 2009 -08 -28 ; 修订日期: 2009 -11 -09作者简 介: 徐 新 学 ( 1970 ) ， 男 ( 汉 族 ) ， 山 东 青 州 人，硕士，高级工程师.列计算，获得视电阻率和相位，继而进行初选编辑后输出处理软件所需要的文件格式。 础上再次进行数据的剔非值、 去噪、 圆滑、 处理。2. 2 静态识别与校正静态效应是频域电磁法普遍存在的问题 的好坏直接影响到资料的解释结果。 引起静 要原因是地表电性体横向不均匀性引起的电 效应4 。相对于相邻测点而言，受静态影响 阻率曲线形态连续性基本是一致的，仅表现 对数坐标中整体的上升或下降，相位曲线的 位置不 受 影 响， 否 则， 应考虑与地质构造 关。图 1 ( a) 相 邻 测 点 的 曲 线 形 态 相 似，距选择原则是保证接收站在远区范围且信号强度足够大，一般要求收 发 距 不 小 于 10 km，供 电 电 流 11 19 A，因而处理接地电阻是施工顺利开展的保证; 为增加观测信号的强度兼顾供电线质量，供电距一 般选择 2 3 km。接收距 MN 一般为 20 m，观测曲线 的不连续或误差棒大多是信号弱的表现，需增大供 电电流。频率表参数设置遵循趋肤深度公式，也就 是根据勘探深度和围岩的电阻率设置，同时兼顾工 作效率，通过加密测点可一定程度上提高纵向分辨 率。发射机按 频 率 表 循 环 发 射 基 于 每 天 UTC 时 间00 : 00 : 00 的波 形，高 频 最 大 发 射电流与供电线感 抗相关，可以通过拐点频率的设置来调整。2资料处理沿坐标轴 的 整 体 平 移，图 1( b )经 剖 面 汉数据解编滤波后受静态影响的曲线得到较好的归一。2. 1可 控 源 资 料 的 预 处 理 首 先 是 利 用 自 身V8图 1 测点视电阻率曲线静态校正前后对比2. 3资料反演V8 可控源反演配套 软件 一 般为专用于大 地 电盘江坳陷、马关隆起、昆明盆地等构造单元资料统计表明: 砂岩、泥岩、 板岩及页岩的 值低，在 10 200 m;灰岩的电阻率最高， 达几千甚至上万欧姆米; 断裂破碎带、 富水 发育、矿化区电阻率相对围岩则明显偏低。3. 2 解译原则CSAMT 法属 于 电 磁 类 物 探 方 法， 利 用 同地层或同一地层中不同赋存结构之间电阻 差异，依阻值高低及分布形态来判识地层界 质构造及不良地质体，继而实现隧道围岩分 响岩 ( 土) 电阻率大小的主要因素是矿物成 构、构造及含水情况等。 解译时应遵循定性 认识与地质剖面调查、钻探相结合的原则。 于隧道实际地质情况和二维反演剖面整体电 值大小来确定划分围岩级别的标准，而后根 的岩性中电性特征圈定不良地质现象。 局部 育、破碎、软弱或含水岩体在电测深曲线上磁处理的 MTsoft 2 D 和地球 物 理 非 地 震 处 理 软 件 包Winglink。前者接口 友 好， 反 演 信 息 丰 富， 在 降 低 静态效应和二维反演方面有其独到之处，但电阻率 反演模型 的优化 需 结合 一定 的先期经验和地质认 识; 后者二维反演模型采用非线性共轭梯度法，可 进行用户自定义的带地形二维电阻率反演，能有效 地降低因地形等因素造成的静态影响，其模型初始 设置和参数选择比较关键。3应用实例3. 1基本概况新建铁路云桂线起于广西南宁市，经隆安、 平 果、田东、田阳、 百 色， 云 南 富 宁、 广 南、 丘 北、 石 林、 宜 良， 终止于昆明市南 站。 铁 路 线 全 长745. 7 km，沿线地质构造复杂，岩性变化大，穿过南异常; 断裂破碎带及影响带在曲线上多表现为横向突变、不连续，电阻率断面图上多表现为成条带状 或串珠状低阻异常，等值线梯度变化最大处对应破 碎带的边缘; 岩性边界在曲线上 表现为横向突变， 在电阻率断面上表现为梯度带两侧电阻率阻值的明 显差异或高低阻团块状相间的过渡带。碎、软弱岩体或较完整基岩的电性反映; 第二类为Q、H、QH 型，首支上升及下降均较缓，岩体相对 较完整。两种曲线在上升或下降过程中局部的平直或下凹与不良地质体的存在有关，如相对整条剖面而言出现连 续 多 个 测 点，且 总 体 上电阻率值偏低，则考 虑断层破碎带的存在。 围 岩 分 级 如 图 3 ( a )所示，在电阻 率 断 面 图 中 DK491 + 740 DK491 +800 和 DK492 + 430 DK492 + 455 两 段 洞 身 附 近，电阻率等值线畸变，成低阻团块状圈闭，相对围岩阻值变化大，灰岩内部的低阻圈闭多与岩溶发育富 水关系密切，表明该段岩体极破碎、 极软弱或岩溶 强烈发育。在 DK493 + 550 DK493 + 635 段电阻率 普遍偏低，近地表相对偏高，约上万欧姆米，其洞 身下部等值线畸变，片状低阻范围较大，电阻率阻图 2 不良地质典型视电阻率相位曲线3. 3成果分析根据铁路隧道围岩分级标准，宏观上可以把物探数据解释的异常区域等 级 与 围岩 级 别 相 对 应5 。以表 1 灰 岩 ( 板、 砂、 页 岩 ) 为 代 表 的 高 阻 ( 低 阻) 分布区围岩级别划分标准为例，物探 类异常 对应极 破 碎、 极 软弱 或 富水岩体或岩溶 强 烈 发 育 区，电阻率小于 150 m (10 m ) ; 物探 类对应 破碎、软弱或含水岩体或岩溶中等发育区，电阻率 阻值在 150 560 m(10 40 m ) ; 物探类异常 区域对应较破碎和较软弱岩体，电阻率阻值在 560 2000m(40 200m ); 物探类异常区域对应较 完整岩体，电阻率阻值大于 2000m(200m)。异常区域等级划分需依据隧道穿越的岩性地质构造整 体情况和反演断面图中电阻率阻值大小、 变化 ( 梯度) 以及低阻异常形态、高阻 ( 低阻) 空间展布等 特征，并结合地质调查、 测绘及钻探资料，重点判释隧道洞身附近。由此知，不同岩性、 不同工段在 级别划分上标准存在差异，地质地层的综合认识是隧道围岩级别划分和成果认识的基础。值在 100 m 以 下; 该段附近沿线存在沟谷河流，其低阻电性特征与岩体极破碎、 极软弱、 岩溶强烈发育富水密切相关; DK492 + 875 DK493 + 265 段 两侧等值线呈密集梯度变化，其间存在纵向条带状 和串珠状分布的低阻闭合圈，为断层破碎带及影响 带。在上述地段施工中要注意预防涌水、 突泥和塌方等不良地质现象，并做好隧道超前预报工作。低阻分布区3. 3. 2研究区上覆第四系粘土及碎石土，部分地段可见风化破碎的变质板岩、 片岩或炭质页岩、 白云岩 及零星铁镁质火成岩。电性特征主要表现为电阻率 普遍偏低 (10 200 m) ，且低阻异常体多呈片状展布，局部地段仅见少量高阻团块或条带，围岩总体上极破碎、极软弱富水或矿化。视电阻 率 曲 线 相 对 比 较 简 单， 一 类 为 Q、 H型，高频段电阻率值较高，继而缓慢下降，表明地 表电阻率较高，随着深度的增加，电阻率值逐渐降 低，说明浅部基岩相对完整，中深部基岩破碎、 富水、岩溶发育或岩体金属矿化。二类为 K 型，曲线高频段电阻率值较低，进而缓慢上升，表现为相对 缓平的上凸畸变，尾支曲线下降较快，反映了浅部 基岩风 化 破 碎、 中 部 基 岩 相 对 完 整、 深 部 基 岩 破 碎、软弱富水或 矿 化 的 电 性 特 征。 如 图 3 ( b ) 所 示，在 DK360 + 300 段附近两侧电阻率值发生比较高阻分布区3. 3. 1隧道洞身穿越地段为石炭二叠系灰岩，多伴有喀斯特地貌，岩溶发育。 电性特征表现为电阻率 以高阻为背景，阻值在几千至上万欧姆米，局部偶夹团块状或片状低阻，阻值小于 1000 m，围 岩 总 体上较完整，岩溶较发育。灰岩区电阻率类型大致分两类，一类为 KH、K型，曲线首支总体表现为 A 型，上升变化缓慢，为 浅部风化地层的电性反映 ，而 后 平 缓 上 升 ，为 较 破极破碎、 极软弱、 岩溶强烈发育或富水岩体 ( )破碎、 软弱、 岩溶中等发育或含 水岩体 ( )较破碎或岩溶弱发育岩体 ( ) 较完整岩体 ( )断层破碎带及影响带150150 560560 20002000100 20001010 4040 20020010 100500 m，从低阻体的展布形态上看也表现出片状分布和近带状低阻分布的差异。 该段左侧是含铁镁质阻率等值线表现出明显的梯度变化，两侧电也存在明显的差异。注: 等值线标注数值为电阻率值取对数; 、 、 、 的划分同表 1图 3 云桂线典型地段物探解释断面图岩体中导电矿物的含量直接影响到了围岩的分级，一般来讲火山岩的电阻率偏高，而含铁镁质火 山岩的电阻率值则偏低，该段分布的片状低阻块体 与金属 矿 床 的 辅 存 有 极 大 关 系， 在 距 隧 道 入 口 段 ( DK359 + 100 ) 附近钛矿开采场的存在也为上述认 识提供了依据。意呈低阻特性的金属矿化体对围岩级别划分扰作用，并建 议 在 矿 化 围 岩 区 做 进一步物 探以提高隧道勘察副产品的经济效益。参 考 文 献1 郭志强，张继 令，许 广 春. 可控源音频大地电磁 工程勘察中的应用 J. 铁 道 建 筑 技 术，2008 ( 525 .张兴昶，梁彦忠. V8 大地电磁系统在隧道勘查中 果分析 A. 铁路勘测技术学术会议论文集 C167 170 .何继善. 可控源音频大地电磁法 M. 长沙: 中 学出版社，1990 ，107 108 .黄兆辉，底青云，侯胜利. CSAMT 的静态效应 校J. 地球物理学进展，2006 ，21 (4 ) : 1290 12 李坚，邓宏科，张 家 德 等. 可控源音频大地电磁 瑞铁路高黎贡山隧道地质选线中的应用 J. 水 程地质，2009 ，(2 ) : 72 76 .结语42 铁路隧道施工中应用可控源成果资料结合地质钻探调查能有效地对围岩级别做出划分，圈定不良 地质体，为隧道的设计和施工提供宝贵资料，在超 长隧道深层地质勘察中更具有高效、快捷的优点。观测数据的质量是资料解释的关键，保证高质、 高效的措施有处理发射偶极距接地电阻、加大供电电 流、增加观测信号强度、适当加密观测频点。在围岩级别的划分上需结合隧道穿越不同地段3 4 5