EH4大地電磁測深在馬茨深埋長輸水隧洞勘察中的應(yīng)用

高錫良，楊立中

(楚雄欣源水利電力勘察設(shè)計有限責任公司，云南 楚雄 675000)

桂花水庫位于大姚縣東北部萬馬河支流皮左黑河上，屬金沙江支流。水庫距桂花鎮(zhèn)15km，距縣城97km，是一座以集鎮(zhèn)供水、農(nóng)村人畜飲水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪的綜合性水利工程。其輸水工程全長27km，其中馬茨隧洞全長7.56km，占輸水工程總長的28.0%，最大埋深569m，是桂花水庫建設(shè)的重點難點及控制性工程。

馬茨隧洞斷面為2.2m×2.5m，屬典型的小斷面深埋長輸水隧洞，大斷面隧洞施工機械受限制，傳統(tǒng)人工鉆爆法成為優(yōu)先選擇的施工工藝，人工鉆爆法在處理隧洞涌水、突泥、軟巖大變形、破碎等問題時，存在風險大、效率低、處理不徹底等缺點。由于馬茨隧洞軸線植被發(fā)育較好，大部分洞段地表分布不同厚度的覆蓋層，地質(zhì)填圖、鉆探、槽探等勘察方法受到限制，且存在勘察周期長、耗資金大、盲目性、整體性差等不足。因此，馬茨隧洞最終選定沿軸線開展貫通性EH4大地電磁測深探測，綜合基礎(chǔ)地質(zhì)資料、鉆探等進行推斷成果解譯，并通過施工揭露對物探推斷成果進行驗證，將物探、勘探綜合應(yīng)用于隧洞勘察中，為隧洞設(shè)計、施工提供合理可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

馬茨隧洞位于曇華山北東側(cè)，進口在馬茨河右岸，出口在六姑鲊箐左岸，隧洞區(qū)域構(gòu)造處于曇華山向斜東翼，沿線主要出露白堊系江底河組上雜色泥巖第三段(K2j3)、第四段(K2j4)，主要巖性為砂泥巖互層，巖層走向與洞軸線近平行，傾向順流右洞壁，區(qū)域地質(zhì)簡圖及EH4測線布置(沿洞軸線布置)如圖1所示。

圖1 馬茨隧洞區(qū)域地質(zhì)簡及EH4測線布置

2 物探方法選擇

馬茨隧洞沿線主要出露中生界白堊系地層，巖性為紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。不同巖性及地質(zhì)體電阻率存在明顯差異，物性特征砂質(zhì)巖電阻率范圍值為200～1500Ω·m、泥質(zhì)巖30～200Ω·m、斷層破碎帶5～30Ω·m、褶皺破碎帶30～100Ω·m、含水帶10～100Ω·m。馬茨隧洞區(qū)出露的地層巖性及可能存在的地質(zhì)體物性特征存在明顯差異，且隧洞沿線無500kV輸電線路、風力發(fā)電廠等電磁場干擾源，天然大地電磁場未受干擾，大地電磁信號強，具備開展EH4工作的大地電磁場條件，因此，選擇EH4大地電磁測深對馬茨隧洞進行沿軸線全段面貫穿性探測[1- 3]。

3 野外數(shù)據(jù)采集與解譯

3.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)馬茨隧洞測量成果、沿線地形地貌，隧洞全長7.56km，確定本次測量點距為40m，共布置189個測點。本次采用美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制的新一代電磁儀Strata—gem型EH4電磁系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。工作區(qū)遠離各種電磁干擾和較大的近地表橫向電性不均勻性，因此，本次野外數(shù)據(jù)采集主要采用天然場源，實施單點張量觀測方式，即測量2個相互正交的電場和磁場分量，同時獲得TE、TM 2個方向的電阻率值。接收大地電磁信號的頻率范圍為10Hz～100kHz，設(shè)置好能量增益后，主要采用一、七頻段疊加次數(shù)為16次進行數(shù)據(jù)采集。

3.2 數(shù)據(jù)處理

通過馬茨隧洞EH4野外采集，并對采集數(shù)據(jù)進行時間序列預(yù)處理，再進行FFT轉(zhuǎn)換，獲得電場和磁場虛實分量和相位數(shù)據(jù)，對每一個測點進行編輯，剔除畸變頻點，保留高質(zhì)量頻點數(shù)據(jù)，后進行一維BOSTICK反演和地形校正，在一維反演的基礎(chǔ)上，再進行二維帶地形反演成像，最后進行綜合解譯，具體流程如圖2所示。

圖2 EH4大地電磁測深數(shù)據(jù)處理流程

3.3 成果解譯

3.3.1鉆孔資料分析

馬茨隧洞沿軸線共布置6個勘探鉆孔，根據(jù)EH4電阻率反演剖面，鉆孔相應(yīng)位置EH4電阻率等值線(數(shù)值n為電阻率指數(shù)，電阻率為10nΩ·m)如圖3所示。

圖3 鉆孔位置EH4電阻率等值線

根據(jù)勘探鉆孔揭露的巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育、透水性、溶孔發(fā)育、EH4電阻率等特征統(tǒng)計見表1。

表1 馬茨隧洞鉆孔主要成果及EH4電阻率統(tǒng)計

3.3.2物探推斷解譯

通過數(shù)據(jù)處理及成圖，獲得馬茨隧洞EH4電阻率等值線圖，等值線圖電阻率主要分為0～20、20～100、100～1000Ω·m 3個區(qū)段，綜合隧洞鉆探成果、地質(zhì)條件隧洞推斷成果解譯如圖4所示，推斷成果解譯[4- 10]見表2。

表2 馬茨隧洞EH4推斷成果解譯

圖4 馬茨隧洞EH4電阻率等值線及推斷成果解譯

4 推測解譯成果驗證

馬茨隧洞施工由進出口同時向中部掘進，已掘進超70%，其中進口方向已掘進3.5km，出口方向已掘進2.0km。已施工部分的驗證結(jié)果表明，EH4推斷解譯成果與已施工洞段揭露的地質(zhì)情況基本一致，其中2+345里程揭露粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，地下水活動狀態(tài)為滲水(如圖5所示)，6+040里程揭露粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖，地下水活動狀態(tài)為滲水(如圖6所示)。

圖5 馬茨隧洞2+345里程掌子面

圖6 馬茨隧洞6+040里程掌子面

5 結(jié)語

EH4探測在馬茨隧洞勘察設(shè)計過程中有效避免了隧洞勘察局部性、盲目性，并實現(xiàn)了施工宏觀預(yù)測。表明EH4在小斷面深埋長輸水隧洞勘察應(yīng)用中有一定的優(yōu)勢和前景，能大幅提升隧洞勘察、設(shè)計效率和質(zhì)量，可為類似工程勘察設(shè)計提供參考。但EH4探測受大地電磁場控制，存在高壓輸電線、風電廠等干擾限制，且解譯推斷結(jié)果存在多解性。因此，在開展工作前需做好干擾源調(diào)查、排查工作，成果解譯宜結(jié)合已有的勘察成果資料開展，從而確保成果的可靠性。