EH4电磁成像系统在隧道工程勘察中的应用

摘要： EH4电磁成像系统由美国著名Geometrics和EMI一起研究开发，其系统是一种双源型的。目前，广泛应用于金属矿产的勘察、铁路，公路隧道的勘察、以及水资源的勘察等等。本文介绍了EH4的原理、工作方法、以及数据处理。并结合具体隧道中的应用效果，说明该方法可以对沿轴线方向大型断裂地质构造分布状况、岩体完整性及岩层富水带的埋深和规模进行超前的宏观预测。

Abstract： EH4 electromagnetic image system， developed jointly by the famous American Geometrics and EMI， electromagnetic system is a kind of double source type. At present， it is widely used in metal minerals prospecting， railway， highway tunnel survey， and water resources survey and so on. This paper introduces the working principle of the EH4， working method and data processing. Combined with the concrete tunnel effect in application， it shows that the method can be along the axis direction of large fracture distribution of the geological structure， rock mass integrity and rich strata buried depth and scale of the hose to macro forecast ahead of his time.

关键词： EH4电磁成像系统；隧道工程；应用效果

Key words： EH4 electromagnetic image system；tunnel engineering；application effect

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）29-0187-02

0 引言

仪器从20世纪90年代开发出来以后，深受国内外从事工程、环境、水文、铁路公路、探矿等部门的钟爱。EH4大地电磁系统是由美国GEOMETRICS和EMI公司联合生产的采用最新数字处理器的连续电导率成像系统。大地电磁测深系统是双源型，分别是人工场源和天然场源，其有效勘探深度可以达几十米到一千米左右，很适合高速公路隧道的勘测。EH4在高速公路隧道勘查中有以下优点：EH4具有有源电探法和无源电磁法的优点，即稳定和节能、轻便；EH4能同时处理两个垂直方向上的电场和磁场，反演这两个方向上电导率张量剖面，有利于识别地下构造特征；EH4仪器的重量很轻，方便携带，而且测一个点只需要十几分钟就完成，这样就可以实施密点连续测量；实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观。

1 基本原理

根据电磁学理论，地面电磁波在地下传播遵循Maxwell方程，在理想的条件下即地下大多是无磁性，宏观上均匀导电且不积累电荷，那么Maxwell方程就可简化为

？荦2H+K2H=0 （1）

？荦2E+K2H=0 （2）

式（1）和式（2）称为亥姆霍兹方程。

其中K=■ （3）

称作复波数或传播系数。

可得波阻抗Z=■ （4）

式中，f为可控电磁频率；ρ为地层的视电阻率，μ为磁导率。

地层中的视电阻率由下式求取：ρ=■■■ （5）

式中Ex为电场分量，Hy为磁场分量。

其勘探趋肤深度可由下列公式给出：δ≈503■（6）

大地电磁法（EH4）连续电导率成像系统勘探基本原理就是基于以上基本理论的基础上，通过采集天然电磁场和人工建立的可控电磁场系统，在一定距离的远场区观测Ex、Hy或Ey、Hx的变化，绘制测区内视电阻率等值线图，结合测区地质（包括测区地层岩性、构造）情况进行分析计算目的体的范围和深度，判断目的体的性质及形态，以达到勘测地下目的体的一种较为特殊的勘探方法，其勘探深度可达上千米。

2 野外工作方法

EH-4连续电导率成像系统勘探野外工作方法：在所测的点位上，沿着本次测线方向即X方向布置一条线，在其垂直方向布置另一条线即Y方向。本次工作点距为20m，所以X，Y方向的线的距离就是40m。X磁棒与X方向平行，Y磁棒与Y平行离中间的前置放大器距离不少于5m。剩下就是如图1接线。本次勘探控制勘探深度在1000m范围内，EH-4大地电磁现场剖面布置见图1。

3 资料处理

大地电磁法首先对原始数据进行编辑，剔除明显的干扰点，对存在静态影响的数据进行空间滤波，形成频率-视电阻率等值线图，再通过二维反演，绘出二维反演断面图；分析以上图件，划分出异常段；把异常和其它辅助物探方法取得的资料作对照，结合地质资料做出初步地质推断（断层带及破碎带和较完整岩体的位置）。对上述初步物探成果进行现场地质调查和异常核对，并结合已知的地质资料进行综合推断，形成最后地质结果，绘制物性地质断面图，并得出各地质构造（本次物探主要为断层和较完整岩体）的特征和性质，填绘综合成果平面图。处理流程见图2。

4 应用实例

地球物理特征。在正式开展工作之前，为了解工区的电性参数，进行了物探电性参数实测，通过资料分析可知，表层块（碎）石土的电阻率范围为50～100Ω.m，极破碎、富水岩体电阻率小于200Ω.m，破碎、含水岩体范围为200～600Ω.m，较破碎岩体电阻率范围为600～1000Ω.m，较完整岩体电阻率大于1000Ω.m。破碎或含水岩体与完整岩体有一定的电阻率差异；断层破碎带较为破碎含水，整体表现为高阻背景中的低阻带状延伸体，具备采用EH4大地电磁法勘探的物理前提。由于各类岩土体的电性反映特征会受风化程度、破碎程度及含水等多种因素影响会有不同，对于复杂岩性区，难以以单一电阻率范围圈定。本次工作以实测电阻率为基础，并根据经验统计和本区地球物理的反演结果分析，得出综合岩体分类的电阻率值判识参数（见表1）。

5 EH4成果解释

本次隧道的物探解释成果图如图3。

从图上可以看出：表层深度50m范围内电阻率较低，ρ s<200Ω.m，为岩体风化的电性表现；中深部电阻率分布零乱，高、低阻团块和条带相互穿插，分布不均匀，表明围岩总体上较破碎、裂隙较为发育，含水性较好。洞身K25+690～790段电阻率呈自上而下的带状低阻反应，推测为断层破碎带，断层内电阻率为50～600Ω·m，根据电性特征判断，宽度约100m，推测洞身位置岩体较为破碎，含水性好，受破碎带影响，周围岩体完整性差，裂隙较为发育，工程地质条件也较差。进口段电阻率较低，ρ s<200Ω.m，地表为碎石土及角砾土，根据现场调绘及钻孔资料表明，进口覆盖层较浅，地表存在小股坡面流水，推测地下水较发育，围岩自稳能力较差。出口段电阻率较低，ρ s<180Ω.m，低阻向下延伸范围较深，结合地质资料，推测覆盖层较厚，围岩风化严重，在外力作用下，斜坡容易失稳、垮塌。

6 结论

通过EH4电磁成像系统在本次隧道中的应用研究，可以说明EH4在复杂地质条件下，在隧道的勘察中取得良好的效果。EH4对地形的要求不是太高，轻便，测量速度快，但是已受到高压线的干扰。在深高速公路长大深埋隧道勘察中，EH-4能发现所有的电阻率差异较大的高、低阻不均匀体，是一种行之有效的手段，值得加以推广应用。由于EH4不能提供岩体电阻率，且地表浅层解释精度较差，局部具有多解，工作中应尽量采用多种勘察手段，并用少量钻孔加以验证，使物探成果更接近实际情况。

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