公路隧道工程勘測(cè)中瞬變電磁法的應(yīng)用論文
唐山市二環(huán)工程項(xiàng)目是唐山市重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，該工程的實(shí)施對(duì)加快推進(jìn)唐山市路網(wǎng)體系建設(shè)、完善城市基礎(chǔ)配套設(shè)施意義重大。二環(huán)路下穿唐津高速隧道工程，分南北兩幅，北側(cè)隧道長(zhǎng)410m，南側(cè)隧道長(zhǎng)415m，隧道寬度16m。該隧道工程位于唐山市開(kāi)平區(qū)二環(huán)路與唐津高速交匯處。根據(jù)工地現(xiàn)場(chǎng)情況，沿南北兩側(cè)隧道軸線布置了2條剖面，利用瞬變電磁法進(jìn)行勘測(cè)。勘探過(guò)程中部分測(cè)點(diǎn)受廠房等建筑物影響，探測(cè)位置進(jìn)行了微調(diào)或舍棄，查明了溶洞、采空區(qū)的位置和分布情況，達(dá)到了預(yù)期的勘察效果。
1地質(zhì)概況與地球物理特征
本勘測(cè)區(qū)地處中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶馬蘭峪復(fù)式背斜開(kāi)灤臺(tái)凹的中部�；讟�(gòu)造較復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，本區(qū)附近主要褶皺構(gòu)造為開(kāi)平向斜，主要斷裂構(gòu)造有唐山斷裂、陡河斷裂。隧道路線西端進(jìn)口為露天采石場(chǎng)，地形起伏較大，地勢(shì)陡峭，場(chǎng)坑中無(wú)鋪設(shè)通路，通行極為困難。隧道路線東端進(jìn)出口為人工開(kāi)挖山谷階地，出口為廠區(qū)廠房，洞身部位有開(kāi)鳳路及唐津高速橫穿，擬建隧道主要貫穿于開(kāi)平向斜西北翼形成的丘陵中，地形起伏較大。根據(jù)收集到的地質(zhì)及鉆探資料，勘察區(qū)情況如下:地表覆蓋第四系(多為雜填土、殘積土、粉質(zhì)粘土、粘土等組成)，下伏基巖由泥巖、泥灰?guī)r、砂巖、煤巖和石灰?guī)r組成。第四系覆蓋層電阻率不超過(guò)70Ωm;煤系地層電阻率為25～50Ωm，泥巖、泥灰?guī)r電阻率不超過(guò)100Ωm;采空區(qū)由于被采空，在未充水情況下為高阻特征，在充滿水條件下為低阻特征。已知地質(zhì)資料表明采空區(qū)位于潛水面以上，因此采空區(qū)內(nèi)不會(huì)充滿水，一般呈高阻反應(yīng);巖溶由于充填粘土等物質(zhì)而呈低阻特征。由此可見(jiàn)本次勘探的目標(biāo)體與圍巖存在著明顯電性差異，完全具備開(kāi)展瞬變電磁測(cè)深法工作的地球物理前提條件。因此，利用此法查明地下采空區(qū)、巖溶及其分布是有效和可行的。冬末春初勘測(cè)，沒(méi)有植被和農(nóng)作物生長(zhǎng)，有利于瞬變電磁法收、發(fā)線框的進(jìn)行。不利因素是測(cè)區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，部分地段為廠房等建筑物，唐津高速和開(kāi)鳳路橫穿隧道，為外業(yè)工作的開(kāi)展帶來(lái)不便;測(cè)區(qū)內(nèi)有高壓電線及信號(hào)發(fā)射塔存在，對(duì)瞬變電磁法工作信號(hào)帶來(lái)不利影響。針對(duì)上述不利因素采取了多次疊加增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度等措施確保野外工作的順利完成，并獲取高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。
2野外工作方法與技術(shù)
2．1方法原理
瞬變電磁法是基于地下探測(cè)目標(biāo)體與圍巖間存在著明顯的導(dǎo)電性差異，利用不接地中心回線向地下發(fā)送一次磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間，通過(guò)測(cè)量線圈觀測(cè)地下異常體所產(chǎn)生的二次渦流磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的物探方法。其物理基礎(chǔ)是基于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下引起二次渦流場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)和研究二次渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在接收線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，獲取探測(cè)地電分布的信息。由于感應(yīng)二次場(chǎng)的衰變規(guī)律與地下地質(zhì)體導(dǎo)電性有關(guān)，導(dǎo)電性越好，二次場(chǎng)衰減越慢;反之，二次場(chǎng)衰減越快。所以通過(guò)研究瞬變場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，便可實(shí)現(xiàn)探測(cè)地下地層、采空區(qū)及巖溶分布的目標(biāo)。
2．2儀器設(shè)備及工作參數(shù)
此次野外工作投入使用儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WTEM-2Q瞬變電磁儀。本次勘探最大深度不超過(guò)60m。野外正式觀測(cè)前，進(jìn)行了多匝小線圈的中心回線裝置和重疊回線裝置的對(duì)比試驗(yàn)，重疊回線裝置的電壓曲線在首支出現(xiàn)了“飽和”現(xiàn)象，其在尾支處亦沒(méi)有表現(xiàn)出完整的衰減形態(tài)，因此，中心回線裝置更有利于該區(qū)工作，因此最終采用了中心回線裝置，多匝小線圈觀測(cè)方式，即:發(fā)射線圈尺度為2m×2m，20匝;接收線圈尺度為1m×1m，20匝。工作參數(shù)主要包括發(fā)射頻率、采集時(shí)窗和疊加次數(shù)、增益、供電電流等。
(1)發(fā)射頻率:供電頻率的選擇一般和勘探深度及抑制50Hz工頻干擾有關(guān)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)4Hz，8Hz，16Hz和32Hz等四種工作頻率的'對(duì)比試驗(yàn)后，確認(rèn)32Hz觀測(cè)曲線既對(duì)目標(biāo)體的細(xì)節(jié)反映更靈敏，又能滿足本次探測(cè)深度的要求，最終確定工作頻率為32Hz，控制延時(shí)0．2μs，接收機(jī)天線延時(shí)0．0μs。
(2)疊加次數(shù):疊加次數(shù)分別選用10、20、30、40、60、80次進(jìn)行試驗(yàn)，疊加次數(shù)越多，采集一個(gè)測(cè)點(diǎn)所需時(shí)間越長(zhǎng)，但是合適的疊加次數(shù)能壓制和整合由天電及其他脈沖干擾源引起的異常，能夠提高數(shù)據(jù)的信噪比，本次疊加次數(shù)≥60次均可獲得較好接收信號(hào)。
(3)供電電流:本次為避免瞬變電磁觀測(cè)系統(tǒng)早期自感盲區(qū)的擴(kuò)展，經(jīng)試驗(yàn)將發(fā)射線圈的電流選定在6～9A，在工作過(guò)程當(dāng)中采用了直徑4mm2優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線作為發(fā)射線圈材料，從而保證了接收信號(hào)質(zhì)量。
2．3技術(shù)措施
現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)做到供電線圈鋪放水平、面積準(zhǔn)確，接收線圈擺放在線圈中央并保持水平，正確選擇供電電流、接收頻率;方向誤差＜1°，極距誤差不超過(guò)1%，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定。疊加次數(shù)與觀測(cè)時(shí)間范圍的選擇:為了提高觀測(cè)資料的信噪比，采用了“累加平均”取數(shù)的技術(shù)。在干擾嚴(yán)重時(shí)，增加疊加次數(shù)。供電回線采用電阻率小、絕緣性能好的導(dǎo)線。本次工作采用的導(dǎo)線每千米的視電阻率＜5Ωm，以便在有限的供壓下輸出足夠大的電流�？睖y(cè)時(shí)，沿南、北兩側(cè)隧道軸線布置了2條測(cè)線，點(diǎn)距為2m�？碧竭^(guò)程中部分測(cè)點(diǎn)受廠房等建筑物影響，探測(cè)位置進(jìn)行了微調(diào)或舍棄。
3瞬變電磁法資料的處理與解釋
3．1數(shù)據(jù)處理
過(guò)程為:數(shù)據(jù)導(dǎo)入與格式轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)截?cái)嗯c光滑→地形數(shù)據(jù)編輯→視電阻率的計(jì)算。
3．2反演方法
對(duì)瞬變電磁資料處理后的多測(cè)道電壓剖面數(shù)據(jù)，利用GeoElectro處理系統(tǒng)的瞬變電磁模塊將其換算成視電阻率數(shù)據(jù)，而后加入地形參數(shù)進(jìn)行了沿剖面的二維反演計(jì)算，選擇了具有平滑功能的最小二乘法反演技術(shù)，利用視電阻率數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，采取三角網(wǎng)格剖分方式，生成地下二維地電模型，實(shí)現(xiàn)迭代循環(huán)式反演。各剖面反演電阻率斷面圖�？v觀這兩個(gè)瞬變電磁反演結(jié)果可以看到，在其探測(cè)深度范圍內(nèi)自上而下可劃分高、低、高三個(gè)電性層，分別為不同電性的巖層反映特征，將作為地質(zhì)推斷解釋的主要基礎(chǔ)。
3．3成果分析
對(duì)溶洞、采空區(qū)的解釋推斷主要以瞬變電磁法測(cè)得的不同地層電阻率分布特征為依據(jù)。第四系覆蓋層電阻率不超過(guò)70Ωm;煤系地層電阻率為25～50Ωm，泥巖、泥灰?guī)r電阻率不超過(guò)100Ωm，采空區(qū)、溶洞因充填物等與泥巖、灰?guī)r地層有明顯的電性差異，推測(cè)采空區(qū)為高阻反映，巖溶為低阻反映。以剖面解釋為依據(jù)，將地質(zhì)解釋結(jié)果分別展布在相應(yīng)的平面位置圖上，結(jié)合本區(qū)已知的地質(zhì)和鉆孔資料，按相鄰剖面地質(zhì)、構(gòu)造具有連續(xù)和延展性的原則，進(jìn)行了測(cè)區(qū)平面內(nèi)巖溶、采空區(qū)展布的空間推斷解釋。根據(jù)同一巖溶、采空區(qū)在相鄰剖面上分布的可比性，本著相鄰形態(tài)相似的原則，由線到面確定地下巖溶、采空區(qū)的展布形態(tài)。圖3、圖4分別為隧道南、北側(cè)測(cè)線的瞬變電磁視電阻率反演及地質(zhì)解釋斷面圖，隧道上部為厚度近5m左右的地表雜填土、殘積土;其下部為強(qiáng)風(fēng)化的基巖，厚度5～20m;進(jìn)口側(cè)基巖為石灰?guī)r，出口側(cè)基巖為泥巖和砂巖，測(cè)區(qū)共發(fā)現(xiàn)2處巖溶區(qū)，3處采空區(qū)。
4結(jié)論
(1)本次勘察共發(fā)現(xiàn)2處巖溶，3處采空區(qū)，后經(jīng)打鉆證實(shí)，其成果可為巖溶、采空區(qū)的治理提供依據(jù)。
(2)利用多匝小線圈瞬變電磁法進(jìn)行淺層工程勘察是可靠有效的，可為以后同類工程勘察提供借鑒。
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