EH-4电磁测深法在矿山深埋隧道勘察中的应用浅谈_崔军.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-01修回日期 2020-04-01 第一作者简介 崔军 （1980-） ， 男 （汉族） ， 陕西韩城人， 工程师， 现从事岩土工程勘察与施工技术工作。 EH-4电磁测深法在矿山深埋隧道勘察中的应用浅谈 崔军*1， 王建军 2 （1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司， 湖北 武汉 430080； 2.湖北省神龙地质工程勘察院， 湖北 武汉 430056） 摘要 通过EH-4电磁测深法在某矿山新建深埋排洪隧道勘察中的应用实例， 系统阐述了该物探 新技术， 供同行在类似工程中参考借鉴。 关键词 EH-4； 电磁测深法； 深埋隧道； 勘察 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0033-04 近年来， 随着我国经济建设事业的持续高速发展， 工程领域常会碰到隧道方面的工程地质问题。对于浅 埋 （隧道顶部埋深小于隧道断面宽度的2倍） 隧道， 一般 通过工程地质调查和测绘， 结合少量钻探来分析推断 沿线工程地质特征， 深埋隧道影响制约因素较多， 多综 合物探这一重要手段配合[2-3]。 常规物探手段有地震反 （折） 射波法、 高密度电法 等， 但以上方法要么勘测深度偏浅速度偏慢， 要么地形 影响较大精度不够， 一旦遇到现场条件复杂及深大长 项目， 往往难以充分满足勘测技术要求。EH-4电磁测 深法 （也称电导率成像勘探技术） 是在近年来迅速发展 的一种电磁法勘探新技术， 它采用的信号频率范围为 10Hz～100kHz， 测深可达1000m， 具有工作效率高， 受 地形影响较小， 抗干扰性能较强等优势， 已在自然资源 勘查、 区域构造探查等领域良好应用。本文以在矿山 领域某新建深埋尾矿排洪隧道勘察中的引用实例， 系 统介绍了其工作原理和方法， 供同行在公路、 铁路、 矿 山等热点工程建设领域中参考和作为补充验证手段综 合应用。 1原理方法 1.1工作原理 作为新一代混合源频率电磁测深系统， EH-4兼具 CSAMT和MT的特征优势， 采取人工发射信号 （适于 浅部地质探测） 弥补天然信号 （适于深部地质探测） 频 段的不足， 从而获取了更全面的电阻率讯息。 主要设备如图1所示。 同样属于电探， 但它是无源测量。基本假设是将 大地看作水平介质， 大地电磁场是垂直投射到地下的 平面电磁波， 则在地面上可观测到相互正交的电、 磁场 分量Ex、 Hy和Hx、 Ey， 通过计算可得到视电阻率ρ （也称 卡尼亚电阻率， 是地下层状介质电性结构的综合反 映） 、 趋肤深度δ （波的振幅衰减到原来的1/e时的传播 深度） 和勘探深度h （波的能量衰减到原来的50时的 传播深度） ， 公式依次如下 ρxyyx 1 5f | | || | | || EXY HYX 2 （1） δ λ 2π 2 ωμσ 503 ρ f （2） h≈0.692δ δ 2 356 ρ f （3） 图1EH-4电磁成像系统主要设备示意图 33 2020年第12期西部探矿工程 式中 f频率； E电场强度； H磁场强度； λ波长； ω圆频率； μ磁导率； σ电导率。 从公式 （2） 、 （3） 可以看出， δ和h都与f和ρ有关。 当f高时， h小， f降低时， h增大。通过在一个宽频带上 测量计算出每个频点上ρ， 据此分析确定该点一定体积 范围内地下介质结构及分布情况[4]， 即是EH-4电磁测 深法基本方法原理。 1.2工作方法 包括观测点的布设、 平行检测试验、 电极 （磁棒） 的 布置和发射机设置等4个重要环节。 （1） 观测点布置采用GPS定位， 罗盘仪指示方向， 皮尺测量电极距， 并进行地形改正。 （2） 平行检测试验宜在野外测试的前一两天试 行。通过监测电场 （磁场） 通道的时间序列信号 （如图2 所示） ， 检验仪器设备运行状态 （两频段波形形态和强 度基本一致表明工作正常） 。 低频段高频段 图2磁场、 电场信号波形图 （3） 现场电极 （磁棒） 配置一般采用4个， 每2个构 成一组电偶， 分别沿平行测线方向 （X-Dipole） 及垂直 测线方向 （Y-Dipole） 布置， 如图3所示。为消除人文 干扰， 两个磁棒要埋在地下至少0.05m， 且尽量选择远 离房屋、 电缆、 大树等。 （4） 发射机野外布设应远离测量点， 为避免近场干 扰， 一般距离测量点500m外。 1.3数据解析 （1） 数据处理 主要依赖系统自带的采集处理软 件。流程大致为 ①时序读取； ②滤波去噪； ③FFT转 换； ④重构筛选； ⑤一维反演； ⑥二维成相； ⑦绘制成 图。其中步骤②是关键。 （2） 解析原则 按照从已知推未知的原则， 根据场 区物性电阻率测量结果及其曲线图变化特征解译判 断地层界线、 地质构造及不良地质体。一般断裂及破 碎影响带在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点的 边缘； 岩性边界在电阻率断面图上多表现为梯度带两 侧电阻率阻值的明显异常或高低电阻团块状相间的 过渡带[4-5]。 2应用实例 2.1工程概况 江西某矿山新建尾矿库地处赣东北低山丘陵地 带， 区内植被繁茂、 沟谷发育， 地形起伏较大。出露 地层主要为前震旦系双桥山群浅变质岩系及第四系 残坡积土， 由于多期构造运动的影响， 区内地层褶皱 强烈， 断裂纵横交错， 工程地质、 水文地质条件较为 复杂。 新建尾矿库排洪系统参考场区邻近4尾矿库经验 设为斜槽隧洞式。主隧道长3250m， 坡度i0.01， 采 用圆拱直墙式， 净宽2m， 最大洞高2.5m， 最大埋深约 350m。隧道设计施工前需要着重查明以下工程地质问 题 （1） 地质岩性及其分布、 风化程度、 围岩类别 ［1］。 （2） 断层、 破碎带的位置、 产状、 规模及力学属性 ［1］。 （3） 赋水性及富水带的分布、 埋深、 涌水量 ［1］。 由于拟建隧道埋深较大， 里程较长， 在认真研究场 图3电极工作布置示意图 34 2020年第12期西部探矿工程 地条件 （地形起伏大， 地质构造复杂） 、 地球物理特征 （场区基岩主要为千枚岩。完整的基岩地球物理场稳 定， 具有较高的电阻率， 与上覆第四系残坡积土及浅部 风化层表现出的低阻特性存在较大的电性差异。同时 完整的基岩与断层破碎带之间有着明显的电性差别， 如表1所示， 为大地电磁测深法提供了良好的地球物理 前提） 、 目前常用深层勘探的几种物探方法的基础上， 通过有效、 经济、 可行性分析， 最终确定以EH-4电磁 测深法为主， 地调测绘、 钻探取样验证为辅的方案进行 探测。 2.2工作布置 根据勘探目的， 现场沿隧道中轴线方向布置了一 条电磁测深剖面， 采用张量测量方式， 测试点间距为 20～25m， 地形地质复杂地段减小为10m， 并进行了5 的检查测量。 2.3成果解译 通过对 TM、 TE 两种模式下数据处理和反演成 图， 对比分析剔除由地形起伏造成的 “假异常” 影响， 最 后绘制出剖面的二维电阻率等值线色度图如图4所 示。图4中电阻率异常值采用指数形式表示。 序号 1 2 3 4 5 6 地层岩性 极破碎、 极软弱岩体或富水岩体 破碎、 软弱岩体或含水岩体 较破碎岩体 较完整岩体 地下水 空气 视电阻率 （Ωm） ＜1102 1102～1103 1103～1104 1104～1105 ＜1102 ∞ 表1场地岩性视电阻率表 注 表中视电阻率数据为地区经验值。 图4库内新建排洪系统电阻率色度图 根据图4测试成果， 作图5所示推断及解析 （1） 表层电阻率普遍小于1102Ωm， 为浅部覆盖 层及基岩风化破碎强烈电性反映。深部电阻率多在 102～104Ωm左右， 局部里程 （K0400～K2250、 K2 730～K2900） 为104～105Ωm左右， 存在相对高阻， 高 低阻团块相互穿插现象， 表明场地围岩岩性、 裂隙发育 程度、 强度分布极不均匀， 区段化较明显。高阻区段结 合区域地质资料和现场调查， 推断为中基性中酸性 变古火山岩等高阻地质体的反映， 围岩类别为Ⅱ类， 可 能开挖施工较困难， 建议结合钻孔和地质超前预报进 一步验证。 （2） K0893里程段电阻率等值线横向变化密集， 有相对低阻体从上到下呈带状分布延伸， 结合区域地 质资料和现场调查， 推测有一断裂破碎带F6分布， 影 响宽度约20m， 围岩类别为Ⅴ类， 建议结合钻探和地质 超前预报进一步验证。 （3） K1122、 K2020.00、 K2368、 K2998 里程段 洞身围岩电阻率均小于102Ωm， 数值很低， 推测岩体节 理发育， 裂隙水较丰富， 可能为软弱层节理裂隙发育带， 围岩类别为Ⅳ类。建议结合地质超前预报进一步确定。 （4） 进口端表层的电阻率小于1103Ωm， 相对出 口端及主洞体围岩较低， 推测地表基岩风化严重， 建议 结合钻探及地质调查测绘对出口斜坡稳定性进行综合 评价。 35 2020年第12期西部探矿工程 2.4检测验证 （1） 里程 K0400～K2250、 K2730～K2900 岩 性为微风化凝灰岩， 岩体较完整， 强度较高， 坚固性 系数 f 最高可达 7。洞体围岩较干燥， 为Ⅱ类。现场 按物探测试及地质超前预报建议， 未采取支护衬砌 措施。 （2） 里程K0893附近有一条北北东向F6断裂带通 过， 断裂走向10～25， 倾向南东， 倾角55～75， 与隧道 走向呈50斜交， 具有明显的错切作用， 带内片理发育， 为碎裂岩及糜棱岩， 洞顶及侧壁有滴水、 淋滤现象。根 据钻探及地质超前预报验证， 现场采取了超前锚杆混 凝土加固衬砌措施， 顺利通过。 （3） K2368、 K2998附近为微风化千枚岩， 岩体 节理裂隙发育， 局部呈碎块薄层状， 洞顶及侧壁有少 量滴水及淋滤现象， 但无掉块现象， 现场结合地质超前 预报建议采区了挂网喷砼衬砌措施。 （4） 隧道进口端岩性岩破碎， 定性定量评价稳定性 较差， 现场按物探测试及地质超前预报建议采取了管 棚超前支护。 目前该隧道段已贯通并通过验收， 将在坝体等主 体工程竣工验收后正式配套使用。 3结语 通过以上理论介绍和实例可以发现， EH-4高频大 地电磁测深法设备轻便， 测深范围大， 能够有效用于识 别浅、 中深度范围岩土体界限、 地质构造、 围岩类别， 并 圈定断裂、 破碎带、 富水带等不良地质体， 从而为钻孔 布置及后续隧道的设计、 施工防护提供地球物理依据， 是一种行之有效的深埋隧道勘察方法。但需注意同其 他所有地球物理勘探方法一样， 具有一定程度的非唯 一性和不确定性， 因此， 在数据的解释过程中， 应尽量 利用各种已知的工程地质信息， 并与钻 （井） 探等其它 勘察手段互相补充， 尤其是浅部地表地层， 使解析成果 更接近于实际情况。 参考文献 [1]GB50021-2001 岩土工程勘察规范[S].中国建筑工业出版 社,2009. [2]谭远发.长大深埋隧道工程地质综合勘察技术研究[J].铁道 工程学报,2012424-31. [3]张举贤.浅谈长大深埋隧道工程地质勘察中地质对物探的 配合[J].铁道工程学报,2006,16317-20. [4]胡卫群,王建军.EH-4电磁测深法在隧道断层勘察中的应用 [J].公路工程,20012,375191-193. [5]邱松,龚育龄,王粤.江西余江马荃地区EH4大地电磁测深资 料解释[J].工程地球物理学报,20126795-799. 图5库内排洪系统地质解析成果断面图 36