应用高频大地电磁法进行铁路隧道勘探

高程（m）
二叠系凝灰岩（P 2j ）
第三系砂、泥岩（E
1 2-3h
）
里程（m）
图2
横向岩性分界等视电阻率断面图
3. 探测断层、破碎带
3
张（家口）呼（和浩特）客运专线某隧道全长约 7550m，最大埋深约 464m。隧 道区地形起伏大，局部为陡坎，地表植被不发育。主要地层有：第三系泥岩夹玄武 岩、侏罗系泥岩砂岩、太古界大理岩。区内断层发育。图 3 是该隧道 DK221+900～ DK223+050 段的等视电阻率断面图。从图中可见，两端视电阻率明显较高，约 200
1.前言 EH-4 电导率成像系统是美国 Geometrics 公司和 EMI 公司联合研制的双源型高频 大地电磁测深系统 （图 1） ， 工作频率在 12.6-10000Hz 之间， 有效勘探深度最小为 10～ 20m，最大可达 800～1100m。在该频段可有 40 个频点描述从浅至深的电性变化，对 浅层电性层有较高的分辨率。EH-4 同时测量相互正交的电场分量和磁场分量，得到 随频率变化的视电阻率和相位。EH-4 是全新概念的电导率张量测量仪，它利用大地 电磁的测量原理，也配置了特殊的人工电磁波发射源，这种发射源的天线是一对十 字交叉的天线，组成 X、Y 两个方向的磁偶极子，轻便而且只用普通电瓶供电，发射 率从 500Hz 到 100KHz，专门用来弥补大地电磁场的寂静区和几百赫兹附近的人文电
100
50 50
300
DSBJSZ-7 137.25
70 0
100
200
0 50 0 0 3
50
700
200
100
20 0
300
100
500
100
70 0
50
300
0 10
300
300
1000
1500
50
F8
奥陶系中统千枚岩 夹变质砂岩（ O2 ）
50 0
0 20
70 0 50 0
300
500
700
s 0.2T
Ey Hx
2
（1）
式中 s 表示视电阻率，Ex 和 Hy 为平行地面的 X 轴方向上的电磁场振幅，Ey 和 Hx 为平行地面的 Y 轴方向上的电磁场振幅，T 为大地电磁场的周期。在均匀介质中 s 为真电阻率，在非均匀介质中 s 为视电阻率。测出某一频率的电场和磁场正交水平 分量的振幅，就能计算出该频率的视电阻率。通过观测不同频率的电磁信号，可获 得不同深度的视电阻率，结合已知地质资料，便可研究地层电性结构，达到地质勘 探目的。 由于 EH-4 高频大地电磁测深系统有探测深度范围较大、设备较轻便、探测效率 较高、探测效果较好的优点，近三年来我们在铁路隧道工点勘探初测和定测阶段， 大量采用了 EH-4 高频大地电磁测深系统，在大约 30 座隧道、隧道总长约 246km 进 行了勘探，在探测岩性分界、断层、富水构造等取得了较好的勘探效果。本文以实
高程（m）
LSSK-1 1618.62
1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 DK222+000
LSJ2-3 1599.85
LSJ2-4 1598.00
DZ-LSSD-1 1538.03
第三系泥岩夹玄武岩（N)
太古界大理岩（Ar)
侏罗系泥质砂岩（J）
4
DZ-LSSD-2 1525.58
南（宁）广（州）线某隧道全长约 5744m，最大埋深约 495m。隧道区为中低山 丘陵区，地形起伏较大，相对高差 50～150m，山体较陡峭，自然坡度约 30～60°， 地表冲沟水系发育，植被茂密。出口段主要地层有奥陶系中统千枚岩夹变质
高程（m） 200 150
1
磁干扰谐波。同时使用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，分别接收 X、Y 两
图 1
EH4 系统装置示意图
个方向的磁场和电场的时间序列信号，由 18 位高分辨率多通道全功能数据采集、处 理一体机完成所有的数据合成。XY、YX 两个方向上的视电阻率由（1）式确定。
s 0.2T
Ex Hy
2
或
5
本有明显的作用。随着工程应用的增多及经验的积累，可以预期该方法的应用效果 会更好、应用领域也会更多。
主要参考文献
[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司， 《铁路工程物理勘探规范》 （TB10013-2010） ，中国铁道出版社，2010 年 [2]中铁第一勘察设计院， 《铁路工程地质勘察规范》 （TB10012-2007） ，中国铁道出版社，2007 年 [3]铁道第二勘察设计院，铁路工程不良地质勘察规程》 （TB10027-2001） ，中国铁道出版社，2001 年 [4]中铁第一勘察设计院， 《铁路工程水文地质勘察规程》 （TB10049-2004） ，中国铁道出版社，2004 年 [5]铁道第一勘测设计院， 《铁路工程地质手册》 ，中国铁道出版社，1999 年 [6]石应骏，刘国栋， 《大地电磁测深法教程》 ，地震出版社，1985 年 [7]刘国栋，陈乐寿， 《大地电磁测深法研究》 ，地震出版社，1984 年
应用高频大地电磁法进行铁路隧道勘探
潘瑞林 祝振华 段俊彪 北京 100055) (中铁工程设计咨询集团有限公司 摘 要
应用高频大地电磁法对大约 30 座隧道、 隧道总长约 246km 进行了勘探， 在探测岩性分界、
断层、 富水构造方面取得了较好的勘探效果。 本文以实例介绍高频大地电磁法在铁路隧道地质勘探 中的主要应用。 关键词 高频大地电磁法 隧道 物探 应用 铁路
High-frequency magnetotelluric method has been applied to the exploration of about lithology boundary，
30 railway tunnels． Good exploration effects have been obtained in detecting
2
例介绍 EH-4 高频大地电磁测深系统在铁路隧道地质勘探中的主要应用。 2. 探测岩性分界 吉（林）珲（春）客运专线某隧道全长约 8000m，最大埋深约 400m。隧道区地 形起伏较大，自然坡度一般 5º～35º，局部为陡坡。地表植被发育，多为密林。地表 被第四系残、坡积层覆盖，下伏二叠系凝灰岩和第三系砂岩、泥岩。区内断层发育。 图 2 是该隧道出口段等视电阻率断面图（局部区段，下同） ，表明 GDK312+600 ～ GDK312+840 段视电阻率 200～1000Ω · m， GDK312+840～GDK313+100 段视电阻率 20～ 200Ω ·m，结合地质资料解释为二叠系凝灰岩与第三系砂岩、泥岩的岩性分界，分 界面位置和产状如图 2。该工点为典型的岩性横向分界实例，其特点是岩性分界两侧 视电阻率存在明显差异，根据视电阻率等值线形态和分布特征，探测了岩性分界面 位置和产状，解决了因地表密林、杂草和覆盖层覆盖地质调绘不能准确确定该岩性 分界面的问题。
第一作者简介：潘瑞林，男，1962 年出生，高级工程师，硕士，主要从事工程物探、工程检测工作。 通讯地址：北京市丰台区广安路 15 号中铁咨询大厦地路院 411 室 邮 编：100055 联系电话：010-51835147 13910624338； 邮 箱：diluyuan_dml@163.com
6
Appling high-frequency magnetotelluric method to the exploration of railway tunnel Pan Ruilin Zhu Zhenhua Duan Junbiao Beijing 100055)
(China Railway Engineering Consultants Group Abstract
太古界大 理岩（Ar)
F3
F4
+300 +400 +500 +600 +700 +800 +900DK223+000 里程（m）
+100
+200
Biblioteka Baidu图3
纵向岩性分界和断层（F3、F4）等视电阻率断面图
～3000Ω ·m；中部浅层视电阻率较低，约 25～150Ω ·m；中部深层视电阻率稍高， 约 20～500Ω · m；DK222+120～DK222+220 和 DK222+850～DK222+920 处存在较为明 显的低阻带状异常。结合地质资料解释为：两端视电阻率明显较高区域分布的是太 古界大理岩，中部浅层分布的是第三系泥岩夹玄武岩，中部深层分布的是侏罗系泥 岩砂岩； DK222+120～DK222+220 和 DK222+850～DK222+920 处的低阻带状异常为断层 破碎带 F3 和 F4。该段勘探中共钻 5 孔（图 3） ，验证了物探对岩性分布和断层破碎 带的推断解释。 4. 探测富水构造
0
奥陶系中统千枚岩 夹变质砂岩（ O2 ）
500
-50 DK342 +100 +200
30 0
30 0
200
F9
燕山期花岗斑岩（ ）
200
奥陶系中统千枚岩 夹变质砂岩（ O2 ）
+300
+400
+500
+600
+700 里程（m）
图4
富水构造(F8)、断层（F9）及岩性分界等视电阻率断面图
砂岩、燕山期花岗斑岩，断层、地下水发育。图 4 是出口段等视电阻率断面图及推 断解释的岩性分界、断层 F8 和 F9，并推测 F8 为富水断层。物探完成后在 F8 附近布 置钻孔 DSBJSZ-7 钻探， 孔深 85.3m， 钻至孔深 38.0m 处开始涌水， 地下水具承压性， 水头高于钻机机身，涌水量约 4.5m3/h，水头和涌水量较稳定。 6. 结束语 EH-4 高频大地电磁测深系统探测深度范围较大，设备较轻便，探测效率较高，探 测岩性分界、断层、富水构造等效果较好。目前该方法在铁路隧道地质勘探中已成 为了主要物探方法之一，对指导钻探、提高勘探质量、缩短勘探周期、降低勘探成
fault and water-rich structures．This paper describes the main applications to the geological exploration of railway tunnel by the examples of the high-frequency magnetotelluric method ． Keywords High-frequency magnetotelluric method Application Railway Tunnel Geophysical exploration