5种电法新技术在隧道工程中岩溶、断层、滑坡等不良地质体勘察中的应用效果

知自然

作者

电法勘探新技术在隧道工程地质勘察中的运用实践

王安平¹，尹小康²，余长恒¹，张旭林¹，李易¹

1 四川省自然资源投资集团物探勘查院有限公司

2 中国中铁二院工程集团有限责任公司地勘岩土工程设计研究院

第一简介：王安平，高级工程师，主要从事电法勘探研究与运用工作。

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通讯作者：尹小康，高级工程师，主要从事铁路、公路隧道工程物探方面研究。

导读：

工程地质勘察场地通常位于断层、溶洞发育的复杂地质条件区，以及高山峻岭、水网密集或空间狭小的复杂地形条件区，这一直是工程地质勘察和工程物探勘查的难题。工程物探方法众多，不同方法各有优点，但也存在不足。例如，音频大地电磁法在控制宏观断层破碎带方面效果较好，但由于处理方式不同，反演成果也有所差异。本文引入了处理反演电性主轴分析的概念，取得了较好的效果。

在隧道工程地质勘察中，查明隧道轴线穿越的岩溶、断层破碎带、滑坡堆积体等不良地质体，并划分隧道轴线附近围岩级别，对隧道选线及钻孔布设具有重要的指导意义。

本文结合高密度电法、等值反磁通瞬变电磁法、音频大地电磁法、全航空大地电磁法和广域电磁法等五种电法勘探新技术的应用实践，分析了不良地质体探测的电性异常特征，判释了隧道轴线附近的围岩级别。

研究表明：电法勘探新技术在隧道工程地质勘察中可以取得较好的成果。高密度电法（分布式）有效增大了勘探深度；等值反磁通瞬变电磁法浅部信息丰富，提高了纵横向分辨率；音频大电磁法引入电性主轴分析概念，处理成果符合地质规律；全航空电磁法填补了地形陡峻、复杂地理条件下工程航空电磁勘察的空白；广域电磁法在隧道勘察中亦是可行和有效的。

本文研究成果为各类复杂条件下工程地质勘察中物探方法选择和异常推断解释提供了重要参考和借鉴。

基金项目：四川省科技计划项目(2020GZYZF0010).

------内容提纲------

0 引言

1 电法原理

1.1 高密度电法

1.2 等值反磁通瞬变电磁法

1.3 音频大地电磁法

1.4 全航空大地电磁法

1.5 广域电磁法

2 电法的运用实践分析

2.1 高密度电法-隧道岩溶探测

2.2 等值反磁通瞬变电磁法-隧道滑坡堆积体探测

2.3 音频大地电磁法-隧道地质构造探测

2.4 全航空大地电磁法-隧道艰险山区探测

2.5 广域电磁法-隧道地层结构探测

3 结论

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0 引言

我国经济水平的快速提高，推动了我国高速交通行业快速发展。随着高速交通隧道的不断修建，经过的地区越来越复杂，尤其是我国西南地区的山地地形，地形陡峻，且存在诸多不良地质体，给物探勘察工作带来越来越大的挑战。在隧道工程地质勘察中，目前运用比较多的电法有高密度电法，该方法适合于隧道等线性工程的勘察，对于探测岩溶等不良地质体效果尚佳，但供电电流小，探测深度一般小于100m。随着技术的发展，高密度电法采用分布式设计，实现了大电流、长剖面连续测量，测量深度大大提高，手段新。瞬变电磁法，适用于探测不良地质构造，但浅部存在盲区。等值反磁通瞬变电磁法是一种新的瞬变电磁探测方法。该方法不受一次电场关断影响，浅部信息丰富，方法新。音频大地电磁法对于控制宏观断层破碎带等效果较好，但处理方式不同，反演成果不尽相同。本文引入处理反演电性主轴分析概念，电性主轴即地下岩体电性变化最大的方向，所呈现的玫瑰图聚合而不离散，说明地下岩体二维性较好，整体呈现二维分布。反之，则不适合进行二维处理。因此，通过电性主轴分析，可较为真实地反映地下地质体。全航空大地电磁法适用于地形恶劣的山区，是一种解决山区复杂地形条件下的隧道安全与快速探测较为行之有效的办法，领域新。广域电磁法，是一种新的频率域电磁法，该方法通过观测电场分量，研究地电构造，在矿产、石油天然气、地热资源、页岩气等方面开展了大量应用，取得了明显的应用效果，但在隧道勘察中，目前应用还比较少，领域新。本文利用上述电法勘探新技术对隧道工程地质勘察进行了运用实践。

1 电法原理

1.1 高密度电法

高密度电法是以岩石电性差异为基础，研究人工施加电流场作用下地中传导电流分布规律的一种探测方法。早先高密度电法是集中式设计，用多芯电缆将电极连接到转换箱上，如图1所示。现在，高密度电法仪日趋成熟，表现在采用嵌入式工控机，采用分布式设计，如图2所示。智能电极器串联在多芯电缆上，在任何位置都可进行观测，极大地提高了勘探深度。

图1 高密度电法集中式设计图

图2 高密度电法分布式设计图

1.2 等值反磁通瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测2次涡流场的方法。

图3 等值反磁通瞬变电磁法装置图

传统的瞬变电磁系统收发天线互感严重，使得浅部测量成为“盲区”。该方法是采用上下平行共轴的2个相同线圈通以反向电流作为发射源，测量对地中心耦合的纯二次场，如图3所示，对浅部信息有较好的反映，提高了纵横向分辨率。

1.3 音频大地电磁法

音频大地电磁法是一种频率域探测技术，通过测量电场及磁场分量，计算得到视电阻率，通过分析视电阻率差异来判释地电结构信息。

音频大地电磁要进行二维解释，需要测线上绝大多数测点的绝大多数频点都是一维或二维情况。由于每个测点每个频点的主轴方向可能不一致，所以有必要求取一个最佳的主轴方向，作为整个测线的模型方向。本文对所有频点的主轴进行统计，获得统计玫瑰图，如图4所示。若主轴方向一致，则表明适合进行二维处理，并可选取“最佳主轴”。若主轴方向分散，则表明不宜进行二维处理。

（a）主轴方向一致

（b）主轴方向分散

图4 玫瑰图

1.4 全航空大地电磁法

航空大地电磁法是航空电磁法的一种，与地面大地电磁、音频大地电磁测量类似，都以全球范围内雷电活动造成的天然场为场源，如图5所示。电磁场通过电离层传播了相当长的距离后被观测到，可以视为垂直入射地面的平面电磁波。由于地下介质横向电阻率的差异，产生了垂直分量的磁场，任何垂直磁场分量均是由地下介质横向电阻率差异造成的，并与水平磁场分量保持着复线性关系。通过观测到的不同频率的电阻率响应，研究地下构造和地质特征。

图5 全航空大地电磁法装置图

1.5 广域电磁法

广域电磁法考虑场的统一性，将全区有机统一起来，勘查深度同等增大，如图6所示。广域电磁法一次发送包含多个频率的信号，突破了变频方案的技术瓶颈，使测量精度明显提高。测量方式采用标量测量方式，对水平电流源的一个电场分量进行。

图6 广域电磁法测量图

2 电法的运用实践分析

2.1 高密度电法-隧道岩溶探测

隧址区出露地层为三叠系中统茅口组，岩性为灰岩，目的任务为探测隧道洞身段的岩溶发育情况。如图7所示为高密度电法成果，可探测埋深240m以上浅的不良地质体。

图7 高密度电法电阻率反演成果图

（1）整体规律：电阻率整体呈现中高阻的电性反映，与茅口组灰岩的物性特征一致。

（2）局部分析：剖面由浅部到深部出现的高低电阻率电性异常特征推测为岩溶发育所致。其中圈定的团块状高阻异常推测为干枯岩溶，圈定的条带状、团块状低阻异常推测为含水岩溶。

剖面显示隧道洞身段发育有岩溶异常（g8），为含水岩溶管道的电性异常特征，异常影响埋深约170-240m，且异常向下未封闭。

因此，采用分布式高密度电法，增大了勘探深度，有效探明了隧道洞身段岩溶发育情况，为隧道选址提供了重要的科学依据。

2.2 等值反磁通瞬变电磁法-隧道滑坡堆积体探测

隧址区出露地层主要为泥盆系月里寨群上组及下组、志留系茂县群五段和震旦系上统灯影组，岩性主要为千枚岩、灰岩、白云岩等，目的为查明滑坡堆积体的基覆界限、范围及规模。如图8所示为等值反磁通瞬变电磁法成果。

图8 瞬变电磁法电阻率反演成果图

（1）整体规律：剖面整体上呈现出浅部低阻（<200ω·m）的覆盖层电性特征，深部高阻（>200Ω·m）基岩电性特征。

（2）局部分析：根据岩性组合与电性异常特征，推测浅部的低阻异常体为土与碎石堆积体（1~4号堆积体，厚度1.5~45.0m不等），深部的高阻异常为千枚岩基岩。

因此，采用等值反磁通瞬变电磁法，有效查明了浅部滑坡堆积体的发育情况，为滑坡体可治理性及进一步选线论证提供依据。

2.3 音频大地电磁法-隧道地质构造探测

隧址区位于高海拔地区，目的任务为探测地质构造，重点判释隧道洞身范围内的地质情况。测线沿隧道轴线布置，图9所示为经电性主轴旋转处理后的视电阻率反演成果图，图10所示为综合解释推断图。

图9 音频大地电磁法电阻率反演成果图

图10 音频大地电磁法综合解释推断图

从图9、10可以看出：电阻率反演成果图电性特征横向上高低阻相间。DK266+912附近为向下延伸的低阻条带状异常，DK267+800、DK268+715、DK269+524附近为高阻背景下向下延伸的中低阻条带状异常，均为断层破碎带的电性反应。

结合地质资料分析，DK266+912对应F1断裂，DK267+800对应F2断裂，DK268+715对应F3遥感解译断裂，DF1为推测断裂。

该隧道共布置2个钻孔验证物探异常，就洞身段进行比对分析。

（1）ZK01钻孔：对应物探测线里程位置DK266+920 m。

根据音频大地电磁成果图（图10）并结合钻孔资料分析，在DK266+920m处隧道洞身位置，钻孔资料揭示为石英砂岩夹板岩，岩芯破碎，断层破碎带发育。根据物探成果，该处显示为向下延伸的低阻条带状异常，判释为F1断裂破碎带，说明钻孔揭露情况与物探推断解释吻合。

（2）ZK02钻孔：对应物探测线里程位置DK268+200m。

根据音频大地电磁成果图（图10）并结合钻孔资料分析，在DK268+200m处隧道洞身位置，钻孔资料揭示为细粒二长花岗岩，岩芯较破碎，花岗岩的音频大地电磁法地球物理特性应表现为高阻特征。根据物探成果，该处显示为高阻特征的电阻率，判释为物探Ⅲ类，说明钻孔揭露情况与物探推断解释吻合。

采用音频大地电磁法新技术，查明了3条已知断层破碎带的产状、规模，并推测了1条断层破碎带（编号DF1），判释了隧道洞身五段为V类物探异常，为地质选线及后续勘察布设钻孔提供技术依据。

2.4 全航空大地电磁法-隧道艰险山区探测

隧址区位于高山区，地形陡峻，平均横坡可达60°~70°，地面物探方法无法施工。

图11所示为全航空大地电磁法电阻率反演成果图，图12所示为综合解释推断图，反演成果图总体特征表现为：以中高电阻率为背景，局部地段夹层状、团块状中低阻异常。

图11 全航空大地电磁法电阻率反演成果图

图12 全航空大地电磁法综合解释推断图

分析物探资料，并结合地质资料，将存在视电阻率梯度带的13处区域推测为断层破碎带，判释了隧道洞身六段为Ⅴ类物探异常。

该隧道共布置1个钻孔验证物探异常，就洞身段进行比对分析。

ZK-XX-深-01：对应物探测线里程位置CK239+643m。

根据全航空大地电磁法综合解释推断图（图12）并结合钻孔资料分析，在CK239+643m处隧道洞身位置，钻孔资料揭示为花岗闪长岩，节理裂隙发育，岩芯较破碎，花岗闪长岩的电性特征应表现为高阻。物探资料显示该处洞身段反演电阻率值为10000～15000Ω·m，显示为高阻特征的电阻率，判释为物探Ⅲ类异常，说明钻孔揭露情况与物探推断解释吻合。

该方法在铁路隧道工程勘察得到了较好的应用，弥补了地面物探无法施工造成资料缺失的空白，对隧道沿线地地层、构造、不良地质及围岩级别进行了较好地推断。

2.5 广域电磁法-隧道地层结构探测

图13所示为广域电磁法电阻率反演成果图，图14所示为综合解释推断图。

图13 广域电磁法电阻率反演成果图

图14 广域电磁法综合解释推断图

从图13、14可以看出：隧道主线段存在4条构造破碎带，通过位置分别为ZK2+200~ZK2+300段隧道轴线下方160~520m范围，ZK3+070~ZK3+950段从标高2415m向下穿越隧道轴线延伸至标高1800m，ZK4+830~ZK7+067段，ZK11+400~ZK12+000段隧道轴线下方320~700m范围，与地质图断层分布吻合。视电阻率值在100~500Ω·m之间的中低阻区域或视电阻率形态散乱，视电阻率值大小分布不均匀的中高阻区域判释为Ⅳ类异常，对应为破碎、软弱或含水岩体。

此应用实例说明广域电磁法在地质条件复杂的隧道勘察中可以取得有效成果。

3 结论

（1）本文的应用实例说明电法勘探新技术在隧道工程地质勘察中可以取得较好的成果。高密度电法（分布式）有效增大了勘探深度；等值反磁通瞬变电磁法浅部信息丰富，提高了纵横向分辨率；音频大电磁法引入电性主轴分析概念，处理成果符合地质规律；全航空电磁法填补了地形陡峻、复杂地理条件下工程航空电磁勘察的空白；广域电磁法在隧道勘察中亦是可行和有效的。

（2）电磁法解译成果局部可能具有多解性，工作中应该采取多种物探方法结合的方式，并加以一定数量的钻孔进行验证，使物探成果更加接近真实地质情况。

（3）电磁法成果仍然主要为一维或二维解译，三维采集和反演对数据拟合更好，可更真实模拟地下复杂结构。但计算量大，需专业的足够算力的集群服务器计算，当前仍不能有效地在单机上推广使用，也是物探同仁需努力的方向。

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