综合物探方法在西气东输隧道勘察中的效果

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[摘要]西气东输工程沿线的地形、地质条件复杂，直接进行隧道工程建设将会有较大的安全隐患，为了预防施工过程中的由不良地质现象引发的事故，采用综合物探方法对隧道线路周围的断层位置及产状、地层岩性分界情况等进行勘察，进而指导地质钻探工作有目的的进行，为隧道开挖过程避开各种地质危害提供依据，保障施工安全。通过对隧道待观察路段的地质地貌分析，通过甑选对比，并根据勘察任务要求，有针对性的选择应用地震折射法和EH4进行综合勘察。

[关键词]地震折射法 EH4 隧道

[中图分类号] U212.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-245-2

1引言

隧道勘察是西气东输工程基础建设工程勘察中的关键部分，地质条件复杂，给建设带来了很大的困难。为了查明隧道穿越地段隐伏断裂、构造破碎带、基岩埋深及风化带厚度；洞口及洞身不良地质、特殊地质现象；隧道勘察范围内各岩土层的类型、深度和分布等地质特征，采用不同的物探方法：地震折射波法和EH4，相互验证分析，以便得出更科学的结论。

2综合物探方法

2.1地震折射波法

浅层折射波法地震勘探利用人工激发的地震波在地下介质传播。当穿过波速不同的介质的分界面时，波改变原来的传播方向而产生折射。当下层介质的波速大于其上层介质的波速时，在波的入射角等于临界角的情况下，折射波将会沿着分界面以下层介质中的速度“滑行”。这种沿着界面传播的“滑行”波也将引起界面上层质点的振动，并以折射波的形式传至地面。通过地震仪测量折射波到达地面观测点的时间和震源距，就可以求出折射界面的埋藏深度。

采用双重观测系统，道间距5.0m，偏移距约80～150m（现场确定），每个排列115m，每个排列采用包括左近炮、右近炮、左远炮和右远炮共四炮的双重相遇观测系统，采用多次叠加技术。

在现场试验和记录对比分析基础上，确立了采集参数。仪器记录方式为高切500Hz ，记录长度为512ms，采样率为0. 25ms。多次锤击叠加。

2.2 EH4

属于可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深方法。深部地质体通过天然场源成像，接收频率范围为10Hz～100 kHz；浅部地质体则通过低功率发射器发射1kHz～100kHz人工电磁信号，补偿天然信号的不足。

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为Ex，Hy；Hx，Ey。通过测量相互正交的电场和磁场分量，可确定介质的电阻率值。其计算公式为：

ρ=1/5f|Ex/Hy|2 （ 公式1）

式中，f为频率，单位Hz；ρ为电阻率，单位Ω？m。由于地下介质是不均匀的，因而计算的ρ值称为视电阻率值。探测深度理论上为一个趋肤深度，计算公式为：

δ≈503（ρ/f）1/2 （公式2）

δ为趋肤深度。上式表明，电磁波的透入深度随电阻率的增加和频率的降低而增大。

音频大地电磁测深法采用EH4连续电导率成像系统，该系统由发射系统、接收系统和控制系统三大部分组成。其中发射系统主要由发射天线、发射机和控制开关组成；接收系统主要由前置放大器（AFE）、电磁传感器及附属设备组成；控制系统主要由测站距离即收发距150m～400m之间，发射和接收保持同步，野外测量布置见图1。

为了保证数据质量，野外数据采集过程采取了下列控制措施：

①平行试验：在开展工作的前一天做平行试验，检测仪器是否工作正常，两个磁棒相隔5米远，平行放在地面，两个电偶极子也平行。观测电场、磁场通道的时间序列信号，分别为低频和高频段磁场、电场信号波形图，两个方向通道的波形形态和强度均基本一致，说明仪器工作正常。

②电极的布置：为保证两个电偶极子的方向相互垂直，要用罗盘仪定向，误差

③磁棒的布置：磁棒离前置放大器大于5m，为了消除人为因素干扰两个磁棒要埋在地下，保证其平稳，用罗盘仪定向使Hx、Hy两磁棒相互垂直，误差控制在

④AFE（前置放大器）布置：电、磁道前置放大器放在测量点上，即两个电偶极子的中心，为了保护电、磁道前置放大器应首先接地，远离磁棒至少5m。

⑤主机的布置：主机要放置在远离AFE（前置放大器）至少20米的一个平台上，保证操作员能看到AFE和磁棒。

⑥尽量避免周围环境中的不利因素对测量的影响。首先，避免人工电场的影响，无法避免的情况下，适当减少信号的增益，避免信号溢出，同时适当延长测量时间和增加叠加次数。其次，当风动影响较大时，将接收装置的电缆、探头等用土埋压，以保证信号不受干扰。再次，每一个测点要保证各个电极接地良好。

野外数据采集时，以测线方向为X轴，垂直测线方向为Y轴。勘探工作过程中，X、Y方向的电极距为20m、工作频率10～100KHz、叠加次数8次以上，记录X、Y、Z三个文件。观测数据当日传输到电脑，同时成图，并及时备份。

3成果分析与解释

测区隧道全长544.5m，区内地层相对简单，勘察区表层主要为第四系中更新统坡残积（Q2dl+el）粉质黏土，下覆基岩为震旦系下统古家组（Z1g）千枚岩、板岩。区内分布的松散覆盖层、构造破碎带以及风化层在波速及电阻率方面均存在着较明显的差异。为浅层地震折射波法和音频大地电磁法提供了有力的地球物理前提和应用条件。

3.1浅层地震折射法

地震折射法成果表明，隧道物探测线段存在二个明显的波速差异界面，将隧道岩土层按物理特性分为三层。

地震折射法将第一波速差异界面以上归并为覆盖层。纵波波速在310m/s～670m/s之间结合地表情况，推断覆盖层由粘土、全风化岩等组成。松散，稳定性差；地震折射法将第一和第二层波速差异界面以上归并为强风化层。纵波波速在1670m/s～2570m/s之间，较松散，稳定性较差；地震折射法将波速差异界面以下归并为基岩，基岩由中微风化岩组成，隧道区间纵波波速在3450m/s～5100m/s之间。根据波速推断，基岩岩体基本完整。

通过对折射波法资料的分析，发现两处波速异常带，其一里程为0+210～0+220，基岩波速约为2800m/s；另一里程为0+330～0+345，基岩波速约为3350m/s。结合地质资料及隧道区间基岩纵波速度的表象，判断其为破碎带的反映。浅层地震折射波法时距曲线图如图2所示。

3.2 EH4

从反演后的视电阻率等值线断面图来看，轴线等值线断面图有较明显的高低视电阻率界线，里程K0+122往小号端，视电阻率较高，里程K0+122往大号端，视电阻率较低。推测里程0+122左右为岩性分界线，往小号端为板岩，往大号端为千枚岩。

反演后的视电阻率等值线断面图有三处低值异常，分别为0+190～0+210、0+320～0+335和0+490～0+505。推断为破碎带的反映。视电阻率等值线图如图5所示。

3.3综合解释

（1）覆盖层厚度

①覆盖层厚度在2.7m～20.3m之间，整体平均厚度为11.0m，最大厚度为20.3m，位于0+265桩号；

②各横剖面的平均厚度在3.4m～11.0m之间，其中SYH2剖面的平均厚度最薄，为3.4m，该剖面位于0+020，SYH4剖面的平均厚度最厚，达到5.8m，该剖面位于0+540；

③从整个测区来看，从隧道进口至出口段，覆盖层厚度变化不大，分布较为均匀。

（2）基岩面高程

在整个测区内岩面高程在220.0m～315.0m之间，平均高程为259.6m；从总体上来看，测区K0+135～K0+200左右基岩面高程最高，进口端其次，出口端最低。

（3）地质构造

本次对隧道地质构造的探测，见破碎带反映出的低值异常区段三处和低速异常两处，里程发育区间详见上述。倾向进口端，视倾角约63°。

轴线有较明显的高低电阻率分界面，但相应位置无界面速度的分界线，推测为板岩和千枚岩的岩性分界面。界面位于桩号K0+120左右，倾向进口端，视倾角约59°。

4结语

物探方法在隧道勘察中，是一种快捷的勘探方法。由于地球物理的多解性，采用单一物探方法来进行隧道勘察，将难以得到较为满意的解释结果，一般须采用二种或二种以上的物探方法。

本次物探工作通过EH4和浅层地震折射波法的相互印证，取长补短，查明隧道的地质情况，进出口的环境地质条件，对隧道工程地质条件提供详细评价，为隧道设计和施工方案提供地质依据。

参考文献

[1]黄潘，王传雷，刘兵，黄涛 综合物探方法在隧道勘察中的应用 。工程地球物理学报 2009，6（4）

[2]刘文祥，鲁来玉，石桂，孙跃军 综合物探在地铁隧道工程建设中的应用 。物探与化探 2004，28（2）

[3]周竹生，丰贇 隧道勘察中的物探综合方法 地球物理学进展 2011，26（2）