EH4中隧道工程地質勘察應用
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摘要：分析研究區的地質-地球物理特征，通過大地電磁測深（eh4）在隧道工程地質勘察中的實例應用表明：采用EH4大地電磁測深法開展并結合實地地形地貌特征進行工作布置，方法選擇正確，資料真實可靠，滿足勘察目的，查明了隧道構造分布情況。
關鍵詞：大地電磁測深（EH4）；隧道工程；工程地質勘察0引言大地電磁測深（EH4）勘察斷層的地球物理前提條件：較大斷裂存在一定寬度的破碎帶，使其與兩盤正常巖體之間存在一定的物性差異；斷裂使地層巖體出現錯動，斷層破碎帶與構造擠壓影響帶、正常巖體的物質狀態、組成之間應存在較大差異，由于降雨時，第四系松散堆積層（碎石土）透水性良好，下伏基巖節理、片理發育，必然使斷裂破碎帶含水，具有一定規模的斷裂破碎帶表現為明顯的低阻條帶。從這些信息可以間接地推斷出斷層的性質和其它參數。
1研究區地質-地球物理特征
研究區主要地層巖性為第四系松散堆積層（碎石土）和泥灰巖、砂巖、灰巖及片巖。測區巖（土）體電阻率參數表.小于300Ω•m；泥灰巖電阻率較低，而片巖、灰巖電阻率較高，通常大于1000Ω•m；含水斷層破碎帶電阻率呈現急劇下降趨勢。這種構造與圍巖體間的差異特征，因此研究區具備開展大地電磁法探測查找斷裂構造的工作條件。為了在視電阻率成果圖中更直觀、明了地看出各種地電性變化及構造特征，對測試原始數據進行如下公式計算：ρs=100×log10(ρ)，(1)式(1)中，ρs為經過計算后的視電阻率值，Ω•m；ρ為測試電阻值，Ω•m。
2工作內容
2.1工作方法
勘探采用儀器為StrataGemEH4電磁成像系統，該儀器使用交變電磁場，不受高阻層的影響，特別是高阻薄層。在沙漠、山前卵石層覆蓋區均能有效探測地下深部的地質信息。每個測點工作結束后，現場提供電磁場功率譜、振幅譜、視電阻率、相位、相關度、一維反演等信息，以便檢查質量，確保野外資料可靠，可采用EMAP法測量，即連續電磁陣列剖面法，其工作效率高[1]。根據勘察目的，結合工作現場對比試驗，本次EH4大地電磁測深選取最優電極矩為20m，為確保數據質量與工作實效，儀器采集分頻段進行，上述頻帶又分成三個頻組：一頻組：10Hz～1kHz；二頻組：500Hz～3kHz；三頻組：750Hz～100kHz，在本次數據采集過程中，對三個頻組的數據全部采集，且每個頻組采集疊加次數不少于8次，根據現場測試結果，對部分頻組進行多次疊加。
2.2采集方法
在數據采集之前進行平行試驗，在工區進行儀器自檢，確定儀器工作正常。所謂平行試驗是指將兩個電極相互平行擺放（如X方向），兩個磁棒也朝同一方向擺放（如Y方向），利用相同參數進行采集，經試驗，兩個不同電極及磁棒所得的譜線圖一致，故所計算的視電阻率曲線也是一致的，儀器工作正常。在試驗工作結束后，開始數據采集工作。
3成果分析
3.1室內資料整理
電磁法探測是根據電磁波在地下巖層中傳播時存在的時差性來反映地下介質的物性差異，即地下介質電場強度、磁場強度和相位的差異；資料處理就是依據電場強度、磁場強度和相位的差異計算視電阻率值和相位值。a)采用在野外實時獲得的時間序列Hy、Ex、Hx、Ey振幅進行FFT變換，獲得電場和磁場虛實分量和相位數據φHy、φEx、φHx、φEy，讀取@文件（該文件將文件號、點線號、電偶極子長度等信息建立起一一對應關系），讀取Z文件（該文件是一個功率譜文件，包含頻率、視電阻率、相位）。通過ROBUST處理等，計算出每個頻率（f）點相對應的平均電阻率（ρ）與相位差（φEH），根據趨膚深度的計算公式，將頻率-波阻抗曲線轉換成深度-視電阻率曲線進行可視化編輯；在一維反演的基礎上，利用EH-4系統自帶的二維成像軟件IMAGEM進行快速自動二維電磁成像，根據區域地質情況進行數據的反復篩查，編輯病壞數據必要時剔除[2]；b)對每個頻率（f）點相對應的平均電阻率（ρ）與相位差（φEH）數據進行初步處理分析后，采用商業MTsoft2D2.3大地電磁專業處理軟件進行二維處理。該軟件采用模塊開發，由數據管理模塊（DataManager）、正演模塊（MTForWardSoft）、數據預處理模塊（MTPreSoft）、數據反演模塊（MT2DISoft）和反演結果顯示模塊（MTViewInvSoft）五部分組成。對測線數據進行總覽以后進行預處理后，執行靜態校正和空間濾波；分別以BOSTIC一維反演結果和OCCAM一維反演結果建立初始模型，進行帶地形二維非線性共軛梯度法（NLCG）反演，獲得深度-視電阻率數據；c)對深度-視電阻率數據進行網格化，繪制頻率-視電阻率等值線圖，綜合地質資料及現場調查情況，在等值線圖上劃出異常區，做出初步的地質推斷。然后根據原始的電阻率單支曲線類型并結合已知地質資料確定地層劃分標準，確定測深點深度，繪制視電阻率等值線圖，結合相關地質資料和現場調查結果進行綜合解釋和推斷；d)繪制剖面成果圖，用反演輸出的深度-視電阻率反演數據繪制出視電阻率等值線剖面圖。首先在Surfer軟件中繪制電阻率等值圖，再轉換到AutoCAD中，經修整完成最后的成果圖，供分析、解釋。
3.2成果分析
資料分析依據地下地層間的物性差異。地層由于成因環境不同，同時受構造運動的影響，從而在縱向和橫向上產生視電阻率和相位上的變化。巖層視電阻率值不僅與地層結構、構造、成份、成因有關，還與其巖石的顆粒大小、密度、地下水含量等因素有關。通過視電阻率變化特征，可以推斷地下地層的分布規律、斷裂構造等信息。a)，隧道設計線里程樁號K1+128～K1+184（地表里程樁號）/K1+086～K1+148（隧道洞身里程樁號），視電阻率值顯示為低電阻異常區，推測此處為含水斷層破碎帶F1，傾角約為73°，寬度約為62m，從電阻率形態推斷該斷層為正斷層。同時經過里程樁號K1+095左13m出鉆孔驗證在該位置106m以下（由于鉆孔深度130m，斷層破碎帶未打穿）存在斷層破碎帶與物探推斷結果基本一致。施工時應加強防護，以預防落石、塌方、等地質災害的發生。隧道設計線里程樁號K1+791～K1+872（地表里程樁號）/K1+678～K1+762（隧道洞身里程樁號），視電阻率值顯示為低電阻異常區，推測此處為含水斷層破碎帶F2。傾角約為75°，寬度約為75m，從電阻率形態推斷該斷層為逆斷層。隧道設計線里程樁號K2+570～K2+656（地表里程樁號）/K2+416～K2+498（隧道洞身里程樁號），視電阻率值顯示為低電阻異常區，推測此處為含水斷層破碎帶F3，傾角約為70°，寬度約為82m，從電阻率形態推斷該斷層為逆斷層。隧道設計線里程樁號K4+004～K4+088（地表里程樁號）/K4+050～K4+132（隧道洞身里程樁號），視電阻率值顯示為低電阻異常區，推測此處為含水斷層破碎帶F4，傾角約為80°，寬度約為82m，從電阻率形態推斷該斷層為正斷層。隧道設計線里程樁號K4+535～K4+612（地表里程樁號）/K4+560～K4+640（隧道洞身里程樁號），視電阻率值顯示為低電阻異常區，推測此處為含水斷層破碎帶F5，傾角約為103°，寬度約為80m，從電阻率形態推斷該斷層為正斷層.b)K0+950右50m～K1+250右50m，平行設計隧道線，目的為查證F1斷層平行設計隧道線K1+070右50m～K1+122右50m兩側電阻率存在較明顯的電性差異且電阻率等值線形態扭曲，推測F1斷裂由此通過，傾角約73°，寬度約52m，切割深度相對較大，從電阻率形態推斷該斷層為正斷層.
4結語
基本查明了斷裂構造F1的展布特征，位于里程樁號K1+090～K1+142，同時與K1+070右50m～K1+122右50m位置斷層破碎帶位置相對應，結合以上兩異常位置，推斷F1走向為NE28°，傾角為73°，寬度為52m，為一正斷層。物探勘察推斷出斷裂構造F2～F5，由于工作量偏少未作其平行線路，同時覆蓋層較厚、無地質露頭現象，故其斷層走向暫且無法判斷。實際應用結果表明，采用EH4大地電磁測深法開展并結合實地地形地貌特征進行工作布置，方法選擇正確，資料真實可靠，滿足勘察目的，查明了隧道構造分布情況。
參考文獻：
［1］尹劍，凌巍，林永燊.高頻大地電磁在深埋隧洞探測中的應用［J］.水利規劃與設計，2015(9)：12-13.
［2］譚紅艷，呂駿超，劉桂香，等.EH4音頻大地電磁測深方法在鄂東南地區尋找隱伏礦體的應用［J］.地質與勘探，2011(11)：15-17.
作者:徐彬 單位:山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局