音頻大地電磁法在某隧道塌方勘察中的應(yīng)用

朱凡凡

【摘要】簡要介紹了音頻大地電池閥的原理及資料解釋的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例對(duì)解釋成果做系統(tǒng)的分析，推斷了隧道斷層或破碎帶以及塌方段空腔的位置及發(fā)育情況。通過鉆探驗(yàn)證，證實(shí)了大地電磁解釋成果的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】音頻大地電磁法；塌方；空腔

1 引言

在隧道開挖施工中，在巖體不穩(wěn)的地段，會(huì)發(fā)生坍塌，從而形成空腔等不良地質(zhì)體，影響施工的進(jìn)程和質(zhì)量。為查明不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，可以采用音頻大地電磁法進(jìn)行勘察[1]，相比高密度電法和地震折射法，大地電磁法具有探測(cè)深度達(dá)、精度高、受地形影響小、技術(shù)成熟等特點(diǎn)。該方法目前廣泛用于公路、鐵路、礦區(qū)勘察中，可有效查找斷層或破碎帶、、采空區(qū)、塌方空腔等地質(zhì)構(gòu)造。

某公路工程隧道出口右洞K4+061-K4+101段頂拱發(fā)生坍塌。塌方時(shí)伴有地下水涌出，塌方量約10000m2左右。測(cè)段內(nèi)主要巖性為燕山期花崗巖，形主要屬丘陵地貌，沿線地表植被發(fā)育，灌木雜草叢生。根據(jù)業(yè)主委托，查找該段斷層或破碎帶以及塌方段形成的空腔的位置及發(fā)育情況，由此判定對(duì)隧道工程的影響。考慮到工期緊、地形復(fù)雜等實(shí)際情況，采用音頻大地電磁法對(duì)該塌方段進(jìn)行勘察。

2 工作方法原理

方法原理與傳統(tǒng)的MT法一樣，它是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場(chǎng)信號(hào)作為激發(fā)場(chǎng)源，又稱一次場(chǎng)，該一次場(chǎng)是平面電磁波，垂直入射到大地介質(zhì)中，由電磁場(chǎng)理論可知，大地介質(zhì)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，此感應(yīng)電磁場(chǎng)與一次場(chǎng)是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的水平分量的比值[2]。

（1）

（2）

（3）

式中f是頻率，單位是Hz，ρ是電阻率（ ），E是電場(chǎng)強(qiáng)度（mv/km），H是磁場(chǎng)強(qiáng)度（nT），φE是電場(chǎng)相位，φH是磁場(chǎng)相位，單位是mrad。必須提出的是，此時(shí)的E與H，應(yīng)理解為一次場(chǎng)和感應(yīng)場(chǎng)的空間張量疊加后的綜合場(chǎng)，簡稱總場(chǎng)。在電磁理論中，把電磁場(chǎng)（E、H）在大地中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值1/e時(shí)的深度，定義為穿透深度或趨膚深度（δ）

（4）

由（4）式可知，趨膚深度（δ）將隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化，測(cè)量是在和地下研究深度相對(duì)應(yīng)的頻帶上進(jìn)行的。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此，在一個(gè)寬頻帶上觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位?？纱_定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。

大地電磁法工作原理圖如下所示：

圖2 大地電磁法工作原理圖

3 資料處理解釋

利用專業(yè)軟件IMAGEM處理，處理流程如下：時(shí)間序列數(shù)據(jù)挑選-----重構(gòu)阻抗文件-----在頻率域?qū)σ曤娮杪蕯?shù)據(jù)編輯-----數(shù)據(jù)反演-----地形校正-----Surfer繪制等值線圖[3]。

圖3為測(cè)點(diǎn)里程80-120段電阻率等值線橫向不連續(xù)，推測(cè)該段

存在斷裂構(gòu)造，具體如圖所示，傾角約80度。圖中青色區(qū)域推測(cè)為受施工影響區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料，整體該區(qū)域推測(cè)斷裂構(gòu)造1個(gè)，該構(gòu)造與隧道小角度斜交，走向約93°，傾向約3°，傾角約80度，斷層破碎帶寬約40m，具體如地質(zhì)斷面圖中紅色虛線所示。在標(biāo)高約30多米處發(fā)現(xiàn)有垮塌空洞，垮塌影響的平面范圍具體如圖1.2.4所示，該垮塌體影響范圍長度約50m（東西向）、寬度約25m（南北向）、高度約30m。

圖3 EH-4大地電磁測(cè)深地質(zhì)斷面圖

經(jīng)鉆探資料驗(yàn)證，EH-4大地電磁推斷結(jié)果符合實(shí)際地質(zhì)情況。

4 結(jié)語

根據(jù)視電阻率測(cè)試結(jié)果，推斷了塌方段斷層或破碎帶、塌方段空腔的發(fā)育情況。并根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和鉆探驗(yàn)證，證實(shí)了大地電磁推斷解釋成果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]樓凱峰，周志軍，史成江.高頻大地電磁測(cè)試技術(shù)在浙江某隧道勘察中的應(yīng)用[J].公路，2011（8）：2242～226

[2]何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1990

[3] 孫茂銳，羅術(shù).高頻大地電磁法與地震折射波法在某隧道隱伏斷層勘探中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2013，9（5）