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CSAMT法在高速公路长大深埋隧道勘察中的应用研究

CSAMT法在高速公路长大深埋隧道勘察中的应用研究

                                                            孙英勋

【摘要】CSAMT法是一套综合了MTAMT各自优点的电磁自动采集和处理系统.本文介绍了CSAMT的原理、特点、工作方法和资料处理.该系统首次运用于高速公路长大深埋隧道勘察中,结合其它手段,成功解译出了隧道的软弱层、地下水及断层破碎带的位置,为划分隧道围岩类别提供了较好的依据,同时也为高速公路长大深埋隧道提供了一种新的勘察方法.

【关键词】桥隧工程,CSAMT,可控源音频大地电磁法,长大深埋隧道,高速公路

引言

    目前公路系统运用最多的方法为地震折射波法、面波法、地震测井、高密度电法、电测深法,少数采用了地震反射波法,但或多或少存在探测深度浅、速度慢、地形影响大、精度低等问题.长大深埋隧道由于其平面里程长、埋深大、地质构造复杂等特点,一直是公路工程地质勘察的难点.可控源音频大地电磁法(简称CSAMT)是近十几年来迅速发展起来的一种电磁法勘探新技术,它具有工作效率高、探测 深度大、分辨率高、受地形影响相对较小、抗干扰性 能强、成本较MT低廉等特点.1 km?2 km深度 范围内,能发现所有的电阻率差异较大的高、低阻不 均匀体,已成功运用在地矿、煤炭、石油、水利、水电 系统的找矿、找水等具体工程中,但在公路勘察方面 的运用尚未有公开报道.

1CSAMT的工作原理

    针对大地电磁法(MT)场源的随机性、信号微弱以及观测十分困难这一状况,加拿大多伦多大学的D.W.Strangwag教授于1971年提出了改进方案_采用可控制人工场源(简称CSAMT).根据电磁波传播理论,地面电磁波发送到地下,电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程.如果假设大多数地下岩土为无磁性物质,并且宏观上均匀导电,不存在电荷积累,那么Maxwell方程就可简化为:

72E+k2E=0,      (1)

72H+k2H=0,     (2)

(1)和式(2)称为亥姆霍兹方程,其中

k=s/neo2+iapio,

         k称作复波数或传播系数.CSAMT法中,测量的是彼此正交的电场和磁场的水平分量,并计算它们的模的比,即波阻抗.

    频率与深度的关系是CSAMT法资料解释的一个主要问题,虽然趋肤深度从某种意义上来说与电磁波在介质中穿透的深度有关,但它并不代表实际的有效探测深度.探测深度D是一个比较模糊的概念,它大体上是指某种探测方法的体积平均探测探度.

2CSAMT的野外工作方法

2.1设备组成

        CSAMT仪器包括发射装置和接收装置两部分,发射设备为大功率发电机及发射机,接收系统包括数字化多功能接收机和磁探头,发射机与接收机之间,通过电台或其它通讯工具进行联系,保证频率改变准确无误(1).目前常见的CSAMT设备有:美国Zonge公司生产的GGT-61025发射机与GDP-1262接收机,加拿大凤凰公司生产的IPT系列发射机与V-4、接收机;此外还有美国Geotronics公司生产的EMT-5000系列发射机与EMR-1系列接收机、加拿大Terra-Geotervex公司生产的607B系列发射机与607A系列接收机等等.本节仅介绍美国Zonge公司生产的GGT-10发射机与GDP16多功能接收机.

        GGT-10发射机可用于CSAMTTEMCRP等系统,最大输出功率10kW,最高输出电压1000V,频率从直流?10kHz,其稳流精度为±0.%?±0.2%.

    多功能接收机可进行CSAMTTEMMTAMTCRP、激电法等工作,具有8个通道,可直接进行数据存取及数据处理,其主要技术参数为:1)最小分辨率0.03nV;2)自然电位补偿±2.5V;3)数模转换速度17ns;4)数字化率32kHz.磁探头频率响应范围为0.125?8192Hz.

2.2设备布设

    本次采用赤道偶极装置、标量观测方式;根据所测隧道埋深等因素,确定收发距,既要保证隧道洞深高程范围内的资料精度,又要使接受信号足够强,一般为5?10km.设置供电偶极距AB=1?3000m,接收电偶极距MN=10?150m,磁探头方向与MN垂直.

2.3数据采集

为保证采集到较高精度的资料,数据采集工作中应注意以下问题:

(1)保证接收机在有效观测区内工作;

(2)严格布设发射站,尽可能加大发射电流;

(3)做好接收机的校验、系统检查以及与发射机的同步工作,同时亦做好接收机的参数设置工作;

(4)认真检查接收站的布设情况,保证接地良好,线路畅通稳定;

(5)观测数据,数据记录不少于2.

3室内资料处理

    资料处理流程见图2.经过原始数据噪声剔除、数据格式转换计算、静态效应改正、初始模型建立、每条测深曲线的一维光滑模型反演等步骤,最终输出电阻率断面图.

    其中在静态校正流程中,采用参考相位空间滤波法,即沿测线设计某种低通滤波器进行空间滤波,压制静态效应;在初始模型建立?输出电阻率断面图的流程中,处理步骤为:

(1)首先给定测线起始测深点的初始模型,进行正演计算;

(2)计算正演曲线与实测曲线之间的离差;当离差足够小时,跳至步骤4),否则进行步骤3)

(3)修改模型,再进行正演计算,并重复步骤2),直至达到一定迭代次数后,正演曲线与实测曲线间的离差足够小为止;

(4)将此正演计算结果存储并作为紧邻下一个测深点的初始模型,重复步骤1)?步骤3)直至计算完整个测线的电测深曲线为止;

(5)由正演计算结果的模型绘制“电阻率断面图”,并把资料处理中最终得到的电阻率断面图作为资料分析及解释的基本图件.

4应用实例

4.1项目概况

    国道主干线GZ40二连浩特?昆明?河口公路水富至麻柳湾高速公路箭竹塘隧道位于云南省盐津县中和乡境内,山区地形、切割剧烈,高差大,交通极为不便.箭竹塘隧道为上、下分离式隧道,上行线起于K73+720,止于K74+970,全长1250m,下行线起于K73+760,止于K75+030,全长1270m;隧道最大埋深345m,进口端岩性以砂岩、泥质粉砂岩为主,中部以泥岩、泥质粉砂岩为主,出口端为玄武岩,表层有约15米覆盖层;沉积岩岩层产状为345°/65°,倾角较陡,区内断层较发育.

    勘察的主要目的为:此次为初步设计阶段,要求查明隧道所经山体的断层、破碎带、富水带,为进一步查明隧道的工程地质条件、划分隧道的围岩类别提供物探依据,并指导施工图设计阶段的深钻孔布置.

    因隧道埋深大、地表缺水、工期紧,初勘阶段隧道中部不可能布置深钻孔,也不能采用浅层物探方法,岩层倾角陡,地震反射也不太合适,故采用CSAMT方法.

     从电性角度看,区内覆盖层、泥岩的电阻率最低,大约为nX10.m,砂岩、泥质粉砂岩的电阻率大约nX102'm,玄武岩的电阻率大约nX103.m,砂岩、泥质粉砂岩的电阻率较泥岩高约10倍,而玄武岩的电阻率较砂岩、泥质粉砂岩的电阻率亦高约10倍,可见,该区具备开展CSAMT电磁探测的电性条件.

4.2野外工作方法

    本次物探使用的仪器为美国Zonge公司生产的GDP16可控源音频大地电磁仪,物探工作于2003924日开始,114日提交正式成果资料,共作CSAMT法测深点261个,完成测线两条,长度分别为1280m1260m,总长为2590m,分别沿隧道中线方向布置CSAMT测线,测点点距为10m.采用赤道偶极装置、标量观测方式,确定收发距X=6000m,供电偶极距AB=2100m,接收电偶极距MN=10m,磁探头方向与MN垂直,数据采集频点为4?4096Hz,尽可能加大发射电流,其中4?1024Hz的发射电流为4.5安培,最高频点4096Hz的最小发射电流为2.4安培.

4.3室内资料处理与解译

4.3.1资料成果

    资料按前述方法进行处理,得到箭竹塘隧道两张上、下行线的CSAMT反演断面图(图3、图4),图中水平坐标代表公路里程粧号(如:K73+800),垂直坐标代表地面高程.

4.3.2成果解译

隧道成果解译的关注点为隧道设计线附近的地质情况,下文所述一般指隧道位置(设计线附近)的相关情况.

(1)岩性解译

    从图3、可知,箭竹塘隧道地层电阻率值变化范围为60?1600.m,电阻率整体呈高--高变化规律,进口端岩性以砂岩、泥质粉砂岩为主,电阻率值变化范围为160?500m;中部以泥岩、泥质粉砂岩为主,电阻率值变化范围为60?160-m;出口端为玄武岩,电阻率值变化范围为160-1600m;覆盖层60?160□•m,0?15m.

    值得一提的是,上行线K74+520+560、下行线K74+680+720均出现垂直陡变的高阻异常,野外发现玄武岩中有较多的弱风化辉绿岩脉,结合区域地质、地调、探槽等资料综合分析,高阻异常形成垂直断层的可能性小,故推测为弱风化较破碎的辉绿岩脉.

(2)构造解译

    根据最低电阻率、电阻率以高倾角骤降和低阻向深部延伸特征,结合野外现场调查与区域地质情况,上、下行线各判断出6条断层(F1?F6),并大致推测出断层破碎带宽度.构造初步解译成果。

3)含水带解译

根据最低电阻率、隔水层岩性、构造富水等特性,结合区域地质情况,上、下行线各含水带主要分

    根据最低电阻率、隔水层岩性、构造富水等特布断层(F1?F6)附近,另外上行线在K74+270?+460K74+560?+580及下行线在K74+270?+390K74+560?+580也较为富水.

(4)围岩类别的确定

    根据电阻率的变化、断层、破碎带、岩性、隧道埋深、隧道设计线高程等特征,结合区域地质情况、地质调查、浅部钻孔情况,综合判断出上、下行线的围岩类别.

4.3.3解译成果的验证

    经施工图设计阶段的浅层物探及钻孔验证,除局部里程位置上存在差异外,基本上相互吻合.主要原因为工区地形变化较大,测量定点不够精度,增加了CSAMT资料的解释难度所致.

5结论

(1)利用CSAMT方法成功地在复杂地形地质条件下对箭竹塘隧道的岩性、构造、地下水进行了解译,结合区域地质情况、地质调查情况进行了围岩类别的划分,达到了预期效果,并经后期勘察工作的验证与实际情况基本吻合.

(2)CSAMT具有工作效率高、探测深度大、分辨率高、受地形影响相对较小、抗干扰性能强、成本较MT低廉等特点,1km?2km深度范围内,能发现所有的电阻率差异较大的高、低阻不均匀体,是高速公路长大深埋隧道勘察的一种行之有效的手段,值得加以推广应用.

(3)由于CSAMT不能提供岩体波速,局部具有多解性,工作中应尽量采用多种勘察手段,并用少量钻孔加以验证,使地质成果更接近实际情况.

参考文献:

[1]何继善等编译.可控源音频大地电磁法[M].长沙:中南工业大学出版社,1990.

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