高频大地电磁测深在隧道工程勘察中的应用_曹哲明
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图 6 齐岳 山隧道深埋暗河的高频大地电磁异常断面
212 龙鳞宫隧道溶腔底部的探测结果 龙 鳞 宫 隧 道 全 长 3421m, 隧 道 最 大 埋 深 约
300m, 80% 地段 的埋深在 100m 左右, 隧道全部在
工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying 65
察, 施工验证了高频大地电磁测深的探测结果。说明高频大地电磁测深方法是一种有效的工程勘察
方法, 适用于复杂地形和岩溶发育的地质条件下的工程勘察。
关键词: 高频; 大地电磁测深; 岩溶; 隧道
中图分类号: P3
文献标 识码: B
Abstract: The concept of high frequency magnetotelluric method ( HFMT ) is proposed in this paper based on the research of characteristics of nature magnetotelluric field and the extending upper limit frequency of observat ion to 100kHz nature by a great deal of explorat ion practice under complex terrain with deep- buried tunnels. The exploration of the tunnels with complex karst in Yiwan railway was conducted by applying vector survey and continuous data acquisition. The prospect ing results are validated by the excavation of the tunnels. The validation by the excavation of tunnel to the results of HFMT shows that HFMT has high quantitative interpretation accuracy and can be applied to prospecting tunnel engineering with complex terrains and karst areas. Key words: high frequency; magnetotelluric sounding; karst; tunnel
2007 年第 5 期
地层, 100kHz 的观测频率的 穿透深度将小于 11m, 因此对于 隧道工 程的 勘察, 要取 得完 整的 地电断 面, 观测频率 范围应在 200Hz~ 100kHz。该频率范 围已超出了音频的范围, 所以采用该频段观测的方 法我们称之为高频大地电磁测深 ( HFMT ) , 其频带 下限可根据勘探深度的要求调整[ 1] 。
( 1) 高频大地电磁测深的观测频带 高频大地电磁测深的概念是相对于可控源音频 大地电磁 ( CSAMT , 观测频率为 0125~ 8192Hz) 和 大地电磁 ( MT , 观测频率为 01001~ 340Hz) 的频率 范围而提出的。对于灰岩地区, 电阻率的变化范围 一般在 500~ 30008 #m, 如果 取平 均电 阻率为 500 8#m, 隧道埋深在 800m 左右时, 根据趋肤定理, 要 达到 800m 左右的观测深度, 观测频率的 下限应在 200Hz 左右, 而当最高观测频率达到 100kHz 时, 穿 透深度在 11m 左右, 由于地表覆盖有第四系低电阻
( 1) 封闭性的溶蚀空腔呈低电阻异常 位于地下水垂直循环带中的岩溶地质体一般呈 溶蚀空腔的形态存在, 溶腔充填物主要是潮湿的气 体和底部的低阻沉淀物, 该类岩溶地质体在高频大
2007 年第 5 期
地电磁的地电断面上都呈低电阻异常, 其异常形态 与溶蚀体的形态相关。其低电阻异常主要应为潮湿 的空气所引起, 如图 4 中的 III 号和 IV 号异常均为 地表连通的溶蚀空腔, 溶腔底部有一定厚度的粘土 和溶洞崩落体。
( 3) 当岩溶地质体的规模与埋深相比, 不是足 够大时, 在高频大地电磁断面上则不能形成封闭性 的低电阻异常, 而是等值线出现较大分离和弯曲的 异常形态。图 5 是宜万铁路某深埋隧道深埋岩溶的 大地电磁异常, 异常中心的埋深约 400m, 在高频大 地电磁断面上电阻率值整体上是随深度的增加而升 高, 在异常部位电阻率的变化趋缓, 等值线出现较 大的分离而畸变因此判定异常部位存在一定规模的 溶洞, 已为施工所证实。
1 高频大地电磁测深的特点与异常规律
对于工程勘察而言, 尤其是复杂地形条件下深 埋岩溶隧道工程的勘察, 要求所采用的物探方法具 有以下特点: 设备轻便、适应复杂地形条件下的快 速勘察; 纵向分辨率高, 体积效应小, 能准确判定 岩溶等不良地质体的空间位置并判定其对隧道工程 的影响; 勘探深度能满足隧道埋深的要求, 且干扰 小或能从干扰异常中将有用信号分离。鉴于目前已 有物探方法的有效勘探深度和纵向分辨能力, 通过 大量的复杂地形条件下深埋岩溶隧道的勘探实 践, 我们提出了高频大地电磁测深的概念。 111 高频大地电磁测深的特点
图 2 鄂西某地 实测的高频大地电磁信号
( 3) 高频大地电磁测深的数据特点
64 工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying
图 3 高压线所形成的干扰异常形态
113 高频大地电磁测深的异常规律 高频大地电磁测深与其它物探方法一样, 都存
在体积效 应, 它 的异常 形态 与所 探测 地质 体的规 模、埋深和围岩的电性差异有关。
图Байду номын сангаас1 全球 电磁场平均振幅特征
高频大地电磁测深采用失量测量方式, 测量电 极距的长度可根据横向分辨率的要求选择。并对测 量频带内所有频率进行全息数据采集, 从而在反演 过程中可以根据纵向分辨率的需要获得连续的纵向 地电信息。 112 高频大地电磁测深的主要噪声干扰
根据全国多个地方观测到的高频大地电磁信号 综合分析, 可以认为: 高频段的大地电磁信号主要 来自人文信号和少部分雷电引起的电磁场, 一切与 电磁相关的人文活动所产生的电磁信号, 只要满足 平面波区的条件, 就是高频大地电磁测深的有效信 号源。因此高频大地电磁测深的主要噪声干扰, 也 就是那些不满足平面波条件的人文活动所产生的电 磁信号, 如距测线较近的高压输电线路、电视和电 讯信号的传送基站以及行使的机动车辆、人为的振 动和风吹引起的数据传输线的摆动所产生的电磁信 号, 其中高压输电线和电视、电信的传送基站的电 磁干扰是不能人为压制或规避的主要噪声源。图 3 是高压输电线路所形成的干扰异常。基本上掩盖了 高压线下一定范围内的所有地电信息, 外业观测结 果表明, 观测点距高压线在地面投影点垂直距离大 于 30m 后, 其影响可以忽略不计。另外地形和地表 电性不均体所产生的静态效应, 在数据处理过程中 只能得到一定程度的压制。
高频大地电磁测深在隧道工程勘察中的应用
曹哲明
( 铁道第四勘察设计院地路处, 武汉 430063)
摘要: 根据工程勘察的特点和需要, 通过对鄂西、湘中、滇北、晋东以及内蒙古中部地区 10Hz~
100kHz 天然场大地电磁信号特征的研究, 将大地电磁法的频带上限扩展到 100kHz, 从而提出了高
频大地电磁测深的概念, 并采用矢量测量和连续数据采集方式, 对宜万铁路复杂的岩溶隧道进行勘
于地 形的 复杂, 线 路选择 余地 不大, 必须 穿越暗 河, 且通过地段暗河底板与线路的高差不大, 为了 铁路的施工和今后的运营安全, 线路必须选择在暗 河底部岩溶不发育、隧道有一定厚度的完整顶板的 地段通过。为此, 在暗河通道中沿暗河走向进行了 高频大地电磁测量, 图 9 是在暗河中测得的高频大 地电磁断面, 反映出了暗河下部的岩溶发育位置和 暗河沉积物的厚度, 为铁路安全通过暗河提供了可 靠的资料。
寒武系的灰岩地层中通过, 岩溶特别发育。是一座 穿越地下水垂直循环带的浅埋岩溶隧道。隧道在开 挖过程 突发 塌陷, 形 成如图 7 的倒 锥形的 大型 溶 洞。溶 洞 底 部 长 约 190m, 宽 约 80m, 最 大 高 度 122m, 溶洞底板为坍塌的虚碴所覆盖。为了确定铁 路在溶洞中的通过方案, 决定采用高频大地电磁法 在洞底对覆盖层厚度和覆盖层以下的岩溶发育情况 进行探测, 因此在洞底沿中线布置了一条高频大地 电磁测深测线, 图 8 是在洞底的探测结果。后对该 解释结果进行了钻探验证, 钻探结果与高频大地电 磁测深资料的解释结果基本一致。
2007 年第 5 期
图 5 宜万 铁路某深埋隧道的高频大地电磁异常断面
应, 其它 75 处都位于大地电磁的异常内或异常的边 缘, 为施工设计 和施工 安全 预警 提供 了准 确的资 料。下面是几个已被验证的应用实例。 211 齐岳山隧道地下暗河的探测结果
齐岳山隧道全长 101463km, 进口端 4500m 为二 叠和三叠的灰岩地层, 岩溶特别发育, 隧道最大埋 深 750m, 从地下水的水平循环带中通过, 图 6 是该 隧道高频大地电磁断面的一部分。图中异常的顶部 埋深约 700m, 在异常部位等值线发生分离, 并向下 弯曲, 判定该处 有可能 存在 较大 型的 岩溶 地质现 象。隧道开挖至异常位置后发生大规模的突水, 后 涌水量稳定在 1000m3Ph 左右。证实为一较大型的地 下暗河。
收稿日期: 2006-07-12; 修订日期: 2006- 09- 26 作者简介: 曹哲明 ( 1954- ) , 男 ( 汉族) , 湖南慈利 人, 本
科, 高级工程师.
工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying 63
在 4kHz~ 60kHz 和 200Hz~ 800Hz 存在高值区, 最大 值分别在 20kHz 和 300Hz, 在 800Hz~ 4kHz 和 80Hz ~ 300Hz 间存在相对低值区, 最小值分别在 2kHz 和 150Hz; 3) 随着频率的增加, 电磁信号递减, 磁场 的递减幅度大于电场, 电场信号的相关性不如磁场 信号的相关性。由此可见, 在现有仪器的观测精度 范围内, 高频大地电磁信号可以满足隧道工程勘察 的要求[ 3] 。
图 4 宜万铁路某浅埋隧道的高频电磁异常断面
( 2) 埋深较浅或规模较大的岩溶地质体呈封闭 圈式的低阻异常
有一定埋深或具有一定规模的岩溶地质体, 当 位于地下水垂直循环带的下部或水平循环带中, 在 测线以下与地表没有直接连通, 溶洞一般为地下水 或泥砂所充填, 低电阻率特征明显, 与围岩存在较 大的电性差异, 此时溶洞的异常一般呈封闭性的低 电阻异常, 如图 4 中的 I 号和 II 号异常。
2 高频大地电磁测深的应用效果
高频大地电磁测深方法自提出以来, 已分别在 我国的宜万、武广、武九、石太等铁路干线的岩溶 隧道勘察中广泛应用。宜万铁路 377km 的线路中岩 溶隧道有 157km, 隧道的埋深由数米至 800m 不等, 布置高频大地电磁测线 198km, 现已得到了部分的 施工验证。在已开挖的部分隧道中遇到的较大型岩 溶地质问题共有 76 处, 只有 1 处没有明显的异常反
( 2) 高频大地电磁测深的场源信号特征 高频大地电磁测深采用天然大地电磁场作为激 励场源。图 1 是 Compbell 于 1967 年得出的全球电磁 场平均振幅特征图[ 2] , 可以看出, 由于为满足矿产 资源调查和大地构造研究的需要, 我们的前辈对于 天然 电 磁 场 信 号特 征 的 研 究, 局限 于 10- 4 Hz~ 10kHz 的范围内。10kHz~ 100kHz 的电磁信号具有怎 样的特征, 信号 强度能 否满 足已 有勘 探仪 器的要 求, 还 应进 行 研究。我们 通过 对 鄂西、湘 中、滇 北、晋东 以及内蒙古中 部地区大量实 测的 10Hz~ 100kHz 大地电 磁信号特征的 研究 ( 图 2) , 发现在 10Hz~ 100kHz 的频带内: 1) 大地电磁信号的电场 和磁场规律一致, 同低频信号一样稳定可靠; 2)
212 龙鳞宫隧道溶腔底部的探测结果 龙 鳞 宫 隧 道 全 长 3421m, 隧 道 最 大 埋 深 约
300m, 80% 地段 的埋深在 100m 左右, 隧道全部在
工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying 65
察, 施工验证了高频大地电磁测深的探测结果。说明高频大地电磁测深方法是一种有效的工程勘察
方法, 适用于复杂地形和岩溶发育的地质条件下的工程勘察。
关键词: 高频; 大地电磁测深; 岩溶; 隧道
中图分类号: P3
文献标 识码: B
Abstract: The concept of high frequency magnetotelluric method ( HFMT ) is proposed in this paper based on the research of characteristics of nature magnetotelluric field and the extending upper limit frequency of observat ion to 100kHz nature by a great deal of explorat ion practice under complex terrain with deep- buried tunnels. The exploration of the tunnels with complex karst in Yiwan railway was conducted by applying vector survey and continuous data acquisition. The prospect ing results are validated by the excavation of the tunnels. The validation by the excavation of tunnel to the results of HFMT shows that HFMT has high quantitative interpretation accuracy and can be applied to prospecting tunnel engineering with complex terrains and karst areas. Key words: high frequency; magnetotelluric sounding; karst; tunnel
2007 年第 5 期
地层, 100kHz 的观测频率的 穿透深度将小于 11m, 因此对于 隧道工 程的 勘察, 要取 得完 整的 地电断 面, 观测频率 范围应在 200Hz~ 100kHz。该频率范 围已超出了音频的范围, 所以采用该频段观测的方 法我们称之为高频大地电磁测深 ( HFMT ) , 其频带 下限可根据勘探深度的要求调整[ 1] 。
( 1) 高频大地电磁测深的观测频带 高频大地电磁测深的概念是相对于可控源音频 大地电磁 ( CSAMT , 观测频率为 0125~ 8192Hz) 和 大地电磁 ( MT , 观测频率为 01001~ 340Hz) 的频率 范围而提出的。对于灰岩地区, 电阻率的变化范围 一般在 500~ 30008 #m, 如果 取平 均电 阻率为 500 8#m, 隧道埋深在 800m 左右时, 根据趋肤定理, 要 达到 800m 左右的观测深度, 观测频率的 下限应在 200Hz 左右, 而当最高观测频率达到 100kHz 时, 穿 透深度在 11m 左右, 由于地表覆盖有第四系低电阻
( 1) 封闭性的溶蚀空腔呈低电阻异常 位于地下水垂直循环带中的岩溶地质体一般呈 溶蚀空腔的形态存在, 溶腔充填物主要是潮湿的气 体和底部的低阻沉淀物, 该类岩溶地质体在高频大
2007 年第 5 期
地电磁的地电断面上都呈低电阻异常, 其异常形态 与溶蚀体的形态相关。其低电阻异常主要应为潮湿 的空气所引起, 如图 4 中的 III 号和 IV 号异常均为 地表连通的溶蚀空腔, 溶腔底部有一定厚度的粘土 和溶洞崩落体。
( 3) 当岩溶地质体的规模与埋深相比, 不是足 够大时, 在高频大地电磁断面上则不能形成封闭性 的低电阻异常, 而是等值线出现较大分离和弯曲的 异常形态。图 5 是宜万铁路某深埋隧道深埋岩溶的 大地电磁异常, 异常中心的埋深约 400m, 在高频大 地电磁断面上电阻率值整体上是随深度的增加而升 高, 在异常部位电阻率的变化趋缓, 等值线出现较 大的分离而畸变因此判定异常部位存在一定规模的 溶洞, 已为施工所证实。
1 高频大地电磁测深的特点与异常规律
对于工程勘察而言, 尤其是复杂地形条件下深 埋岩溶隧道工程的勘察, 要求所采用的物探方法具 有以下特点: 设备轻便、适应复杂地形条件下的快 速勘察; 纵向分辨率高, 体积效应小, 能准确判定 岩溶等不良地质体的空间位置并判定其对隧道工程 的影响; 勘探深度能满足隧道埋深的要求, 且干扰 小或能从干扰异常中将有用信号分离。鉴于目前已 有物探方法的有效勘探深度和纵向分辨能力, 通过 大量的复杂地形条件下深埋岩溶隧道的勘探实 践, 我们提出了高频大地电磁测深的概念。 111 高频大地电磁测深的特点
图 2 鄂西某地 实测的高频大地电磁信号
( 3) 高频大地电磁测深的数据特点
64 工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying
图 3 高压线所形成的干扰异常形态
113 高频大地电磁测深的异常规律 高频大地电磁测深与其它物探方法一样, 都存
在体积效 应, 它 的异常 形态 与所 探测 地质 体的规 模、埋深和围岩的电性差异有关。
图Байду номын сангаас1 全球 电磁场平均振幅特征
高频大地电磁测深采用失量测量方式, 测量电 极距的长度可根据横向分辨率的要求选择。并对测 量频带内所有频率进行全息数据采集, 从而在反演 过程中可以根据纵向分辨率的需要获得连续的纵向 地电信息。 112 高频大地电磁测深的主要噪声干扰
根据全国多个地方观测到的高频大地电磁信号 综合分析, 可以认为: 高频段的大地电磁信号主要 来自人文信号和少部分雷电引起的电磁场, 一切与 电磁相关的人文活动所产生的电磁信号, 只要满足 平面波区的条件, 就是高频大地电磁测深的有效信 号源。因此高频大地电磁测深的主要噪声干扰, 也 就是那些不满足平面波条件的人文活动所产生的电 磁信号, 如距测线较近的高压输电线路、电视和电 讯信号的传送基站以及行使的机动车辆、人为的振 动和风吹引起的数据传输线的摆动所产生的电磁信 号, 其中高压输电线和电视、电信的传送基站的电 磁干扰是不能人为压制或规避的主要噪声源。图 3 是高压输电线路所形成的干扰异常。基本上掩盖了 高压线下一定范围内的所有地电信息, 外业观测结 果表明, 观测点距高压线在地面投影点垂直距离大 于 30m 后, 其影响可以忽略不计。另外地形和地表 电性不均体所产生的静态效应, 在数据处理过程中 只能得到一定程度的压制。
高频大地电磁测深在隧道工程勘察中的应用
曹哲明
( 铁道第四勘察设计院地路处, 武汉 430063)
摘要: 根据工程勘察的特点和需要, 通过对鄂西、湘中、滇北、晋东以及内蒙古中部地区 10Hz~
100kHz 天然场大地电磁信号特征的研究, 将大地电磁法的频带上限扩展到 100kHz, 从而提出了高
频大地电磁测深的概念, 并采用矢量测量和连续数据采集方式, 对宜万铁路复杂的岩溶隧道进行勘
于地 形的 复杂, 线 路选择 余地 不大, 必须 穿越暗 河, 且通过地段暗河底板与线路的高差不大, 为了 铁路的施工和今后的运营安全, 线路必须选择在暗 河底部岩溶不发育、隧道有一定厚度的完整顶板的 地段通过。为此, 在暗河通道中沿暗河走向进行了 高频大地电磁测量, 图 9 是在暗河中测得的高频大 地电磁断面, 反映出了暗河下部的岩溶发育位置和 暗河沉积物的厚度, 为铁路安全通过暗河提供了可 靠的资料。
寒武系的灰岩地层中通过, 岩溶特别发育。是一座 穿越地下水垂直循环带的浅埋岩溶隧道。隧道在开 挖过程 突发 塌陷, 形 成如图 7 的倒 锥形的 大型 溶 洞。溶 洞 底 部 长 约 190m, 宽 约 80m, 最 大 高 度 122m, 溶洞底板为坍塌的虚碴所覆盖。为了确定铁 路在溶洞中的通过方案, 决定采用高频大地电磁法 在洞底对覆盖层厚度和覆盖层以下的岩溶发育情况 进行探测, 因此在洞底沿中线布置了一条高频大地 电磁测深测线, 图 8 是在洞底的探测结果。后对该 解释结果进行了钻探验证, 钻探结果与高频大地电 磁测深资料的解释结果基本一致。
2007 年第 5 期
图 5 宜万 铁路某深埋隧道的高频大地电磁异常断面
应, 其它 75 处都位于大地电磁的异常内或异常的边 缘, 为施工设计 和施工 安全 预警 提供 了准 确的资 料。下面是几个已被验证的应用实例。 211 齐岳山隧道地下暗河的探测结果
齐岳山隧道全长 101463km, 进口端 4500m 为二 叠和三叠的灰岩地层, 岩溶特别发育, 隧道最大埋 深 750m, 从地下水的水平循环带中通过, 图 6 是该 隧道高频大地电磁断面的一部分。图中异常的顶部 埋深约 700m, 在异常部位等值线发生分离, 并向下 弯曲, 判定该处 有可能 存在 较大 型的 岩溶 地质现 象。隧道开挖至异常位置后发生大规模的突水, 后 涌水量稳定在 1000m3Ph 左右。证实为一较大型的地 下暗河。
收稿日期: 2006-07-12; 修订日期: 2006- 09- 26 作者简介: 曹哲明 ( 1954- ) , 男 ( 汉族) , 湖南慈利 人, 本
科, 高级工程师.
工程勘察 Geotechnical Investigation & Surveying 63
在 4kHz~ 60kHz 和 200Hz~ 800Hz 存在高值区, 最大 值分别在 20kHz 和 300Hz, 在 800Hz~ 4kHz 和 80Hz ~ 300Hz 间存在相对低值区, 最小值分别在 2kHz 和 150Hz; 3) 随着频率的增加, 电磁信号递减, 磁场 的递减幅度大于电场, 电场信号的相关性不如磁场 信号的相关性。由此可见, 在现有仪器的观测精度 范围内, 高频大地电磁信号可以满足隧道工程勘察 的要求[ 3] 。
图 4 宜万铁路某浅埋隧道的高频电磁异常断面
( 2) 埋深较浅或规模较大的岩溶地质体呈封闭 圈式的低阻异常
有一定埋深或具有一定规模的岩溶地质体, 当 位于地下水垂直循环带的下部或水平循环带中, 在 测线以下与地表没有直接连通, 溶洞一般为地下水 或泥砂所充填, 低电阻率特征明显, 与围岩存在较 大的电性差异, 此时溶洞的异常一般呈封闭性的低 电阻异常, 如图 4 中的 I 号和 II 号异常。
2 高频大地电磁测深的应用效果
高频大地电磁测深方法自提出以来, 已分别在 我国的宜万、武广、武九、石太等铁路干线的岩溶 隧道勘察中广泛应用。宜万铁路 377km 的线路中岩 溶隧道有 157km, 隧道的埋深由数米至 800m 不等, 布置高频大地电磁测线 198km, 现已得到了部分的 施工验证。在已开挖的部分隧道中遇到的较大型岩 溶地质问题共有 76 处, 只有 1 处没有明显的异常反
( 2) 高频大地电磁测深的场源信号特征 高频大地电磁测深采用天然大地电磁场作为激 励场源。图 1 是 Compbell 于 1967 年得出的全球电磁 场平均振幅特征图[ 2] , 可以看出, 由于为满足矿产 资源调查和大地构造研究的需要, 我们的前辈对于 天然 电 磁 场 信 号特 征 的 研 究, 局限 于 10- 4 Hz~ 10kHz 的范围内。10kHz~ 100kHz 的电磁信号具有怎 样的特征, 信号 强度能 否满 足已 有勘 探仪 器的要 求, 还 应进 行 研究。我们 通过 对 鄂西、湘 中、滇 北、晋东 以及内蒙古中 部地区大量实 测的 10Hz~ 100kHz 大地电 磁信号特征的 研究 ( 图 2) , 发现在 10Hz~ 100kHz 的频带内: 1) 大地电磁信号的电场 和磁场规律一致, 同低频信号一样稳定可靠; 2)