劉宏岳，林朝旭，林孝城，黃佳坤

(福建省建筑設計研究院，福州 350001)

0 引言

近年來，隨著工程物探方法和理論的不斷發(fā)展，其應用領域不斷擴展，尤其是在水域工程勘察領域，工程物探技術由于具有許多其他勘察方法不具備的優(yōu)點，在水域工程勘察工作中有了較長足的發(fā)展［1-4］。

在水域工程勘察常用的工程物探方法中，地震反射波法是首選勘探方法，在探查水下地形、覆蓋層分層、基巖面起伏及地質構造情況等工程實踐中取得了較好效果［2-4］。在水深較淺，水底介質較硬的地方，由于水底多次波很嚴重，下覆地層的有效信號弱，地震反射波法難以得到理想的效果。

以高效率、高速度、高精度、高一致性和高信息量為特征的高密度電法，因其具有測深和剖面雙重功能，所以在工程勘察中被廣泛應用。高密度電法二維地電斷面能較為直觀地反映基巖界線，也能較詳細地了解與圍巖存在電性差異的斷裂構造的發(fā)育情況［5-7］。在陸地上，高密度電法在我國的陸地水文、工程、環(huán)境的地質調查中已廣泛應用并取得了長足的發(fā)展［8-10］;在水上，國內的專家學者近年來已從理論上說明了水域電法開展的可能性［11］，高密度電法在水域工程勘察領域也逐漸開展起來［4-5，7］。與陸地相比，淡水域高密度電法有自身優(yōu)勢:①電極所處環(huán)境均勻穩(wěn)定，電極噪聲小;②地表一致性好，接地電阻基本一致。電極接地不好與地表一致性差均可能產生假異常，給電法成果解釋造成困難。

目前，大地電磁測深(MT)已成為一項成熟的技術，在深部地質與區(qū)域地質調查、水文地質和工程地質等領域都取得了顯著成效［6，12］。由于MT法是利用頻譜豐富、能量巨大的天然場源，具有很大的探測深度，且成本低，對環(huán)境無污染，在水域工程勘探中是一種快速有效的探測手段。

由于地球物理方法的多解性，也需要用基于不同物性參數的方法互相補充，相互約束，提高解釋的可靠性。綜合物探能夠有效地克服單一物探方法自身存在的多解性，在同一個點或同一測線上，根據工程的地形、環(huán)境、地質復雜程度和勘測階段的不同技術要求優(yōu)選2種以上方法進行綜合物探勘察，有利于物探資料解釋的相互印證與綜合分析，有利于提高資料的解釋精度和可靠性，有利于提高物探的應用效果和作用。

某過江隧道工程為盾構掘進江底隧道，分為南北線近平行的雙洞隧道，江面長度約1 km，水底介質為粗砂或圓礫土，均為硬質土，基底為板巖、泥質粉砂巖和礫巖。采用盾構法施工，前期勘察階段發(fā)現有巖層不整合面等不良地質現象，這些不良地質體將對盾構掘進的安全施工及工期控制產生較大的風險，因此，在盾構掘進前，應盡可能地探查清楚掘進區(qū)域不良地質體的賦存情況，以便盡早采取措施進行清除或制定穿越該處的方案。物探探測方案以勘察隧道掘進面范圍內是否存在不良地質體為主，對斷裂構造或破碎帶、巖體不整合面、不同風化程度的巖體進行判識，劃分盾構掘進不良地質的性質、邊界位置與埋深。針對本工程的勘察要求、目的及特點，選用了地震反射波法、高密度電阻率法和大地電磁測深法3種物探方法進行現場試驗，進而采用有效的物探方法組合，為地質勘察服務。

1 地震反射波法探測

圖1為地震反射波法場地適應性試驗時間剖面圖。由圖1可見，地震反射波法由于水底多次波非常嚴重，難以得到有效的地層信號，但所得水底起伏數據可用于電法、電磁法的地形校正。

圖1 過江隧道地震反射波法時間剖面圖(雙程時間)Fig．1 Rround trip time profile of seismic reflection wave technology in geophysical prospecting of river-crossing tunnel

2 淡水域高密度電法探測

2．1 淡水域正反演模型計算研究

在方法可行性方面，首先采用正演模型對測區(qū)地電場特征進行模擬。采用瑞典ABEM公司的RES2DMOD軟件進行了模型試驗，RES2DINV軟件進行模型數據反演計算。由前期工程勘察所得電阻率測井資料可知，在該地區(qū)開展高密度電法工作的地球物理前提條件是較為成熟的，借此假設江水的電阻率為40 Ω·m，基巖的電阻率為200Ω·m，并將測區(qū)可能存在的構造破碎帶的電阻率假定為60 Ω·m。根據測區(qū)實際水深情況，水深取江水平均值6 m，采用溫納裝置。

圖2(a)為地電正演模型，(b)為正演視電阻率擬斷面，(c)為反演模型電阻率斷面，由圖2可以看出，反演結果與模型對應較好，溫納裝置對6 m水深下的構造破碎帶反映良好。

2．2 高密度電法測試成果

本次現場數據采集主要參數設定如下:1)裝置類型為溫納和施倫貝爾;2)電極數60根;3)電極距8 m;4)剖面數16層;5)供電電壓270 V。測量時使用一艘工作船拋錨固定在排列中間位置附近，測站位置上安放測量儀器，用小船利用RTK定位布置排列電纜線。

工區(qū)沿隧道邊線完成了4條測線共4 km左右的高密度直流電阻率法測量，測線編號依次為S1，S2，N1及N2，均取得了良好的效果。每條測線都使用了溫納和施倫貝爾2種裝置。

根據高密度測試成果與已有鉆孔資料的比對分析，總結出各巖土層與視電阻率的對應關系表(見表1)。依據各巖土層與視電阻率值的對應關系，結合測線附近鉆孔資料及其他物探測試成果，追蹤出強風化巖與弱風化巖頂界面，并繪制成綜合物探成果解釋圖(見圖3和圖4)。

表1 巖土層與視電阻率的對應關系表Table 1 Relationship between rock/soil strata and apparent resistivity Ω·m

圖4 S1，N1和N2線高密度電法電阻率等值線斷面圖Fig．4 Apparent resistivity pseudosection in high density resistivity method along line S1，N1 and N2

由圖3(a)可看出巖土層電性呈層狀分布，電阻率自上而下逐漸變大。電性層可分為3層結構:表層視電阻率10～45Ω·m(藍色色標)為粗砂、粗圓礫土;中部視電阻率40～140 Ω·m(淺藍-黃色色標)為強風化板巖;下部視電阻率85～350 Ω·m(黃色-紅色色標)為中風化板巖。隧道沿線共存在4個低阻異常區(qū)，其中里程樁號SK6+925～SK7+010段存在一個明顯的低阻異常帶，該異常阻值低，寬度長，垂向延伸大;參考測線附近JZ-16與JZ-17鉆孔資料，基巖為泥質粉砂巖或礫巖，而異常兩側均為板巖;綜合各方面資料分析，推斷該處為構造破碎帶。SK6+451～SK+502、SK6+627～SK+680及 SK7+204～SK+270段低阻異常級別低、縱向延伸短，結合鉆孔資料分析，推斷異常反映局部巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、風化厚度大，為風化槽。由圖3(b)可看出，根據物探成果推斷劃分出巖層界面(強風化與弱風化頂界面)在深度位置、起伏趨勢方面與臨近地質鉆孔縱斷面基本一致(隧道工程勘察一般將鉆孔布置在隧洞縱線兩側附近，而電法測線S2布置在隧道縱線上)。

S1，N1和N2 3條測線也各自發(fā)現幾處低阻異常區(qū)，從圖4中可看出，這3條主測線各存在4個異常區(qū)，雖然異常形態(tài)特征略有不同，但各異常區(qū)一一對應，說明這些異常確實可靠，反映了實際地質情況。物探成果推斷的1條構造破碎帶與3個風化槽均已被鉆孔證實。

3 大地電磁測深法探測

3．1 測區(qū)場源特征分析

由于城市的人文活動，經試驗測區(qū)(測區(qū)位于市區(qū))電場和磁場在公認的1 000～10 000 Hz段的能量比遠離市區(qū)的郊區(qū)高出了一個數量級(見圖5)，證明在該工區(qū)開展大地電磁測深法探測，場源能量是有保證的。圖5中XYLD為遠離測區(qū)的郊區(qū)測得的電磁場功率譜，XXJ-1和XXJ-2為測區(qū)2個測點上測得的電磁場功率譜。

本測區(qū)大地電磁測深法只采集高頻部分750 Hz～92 kHz共22個頻點的天然信號，不使用發(fā)射機，并且只采集水平分量的電場和垂直分量的磁場。參考電阻率測井資料，測區(qū)各種巖性電阻率為幾十至一百多Ω·m，根據勘探深度式(1)計算得到探測深度范圍為幾m至一百多m，能夠滿足該測區(qū)的勘探要求。為了確保方法的可行性，在測量之前進行了正反演模型計算研究。

式中:δ為勘探深度;ρ為地層平均縱向電阻率;f為電磁波頻率。

3．2 大地電磁測深法正反演模型計算研究

圖6(a)為正演計算模型，同高密度電法地電模型建立準則，假設江水的電阻率為40 Ω·m，基巖的電阻率為200 Ω·m，并將測區(qū)可能存在的構造破碎帶的電阻率假定為60 Ω·m。反演時只選取TM模式(水平分量的電場和垂直分量的磁場)的電阻率和相位進行反演，與實際測量一致。圖6(b)為TM模式反演結果，反映構造破碎帶效果明顯，只采集水平分量的電場和垂直分量的磁場進行構造破碎帶勘測確實可行。

3．3 測試成果

本次勘探是采用美國EMI公司和Geometrics公司聯合推出的新一代電磁儀EH-4型StrataGem電磁系統(tǒng)，StrataGem電磁系統(tǒng)可以在10 Hz～92 kHz的寬頻范圍內采集數據，能觀測到離地表幾至1 500m內的地質斷面的電性變化信息。根據勘探深度要求，工區(qū)內選擇3頻組，750Hz～92kHz頻段22個頻點，工作裝置選用標量測量方式，將電極放置于船頭船尾，磁棒垂直于電場測量?？紤]到金屬船體可能造成的影響，使用小木船，將所有儀器設備安放在小木船上，測量電極放在船頭船尾，磁棒垂直于電極方向放在船上。

測區(qū)沿隧道邊線共進行4條測線共4 km左右的高頻大地電磁法測量。圖7為4條測線的高頻大地電磁電阻率斷面圖，圖中各剖面在里程K6+850～K7+000段低阻帶明顯，判斷為構造破碎帶，與高密度電法4條測線的解釋結果基本一致，2種方法相互佐證，解釋成果具有較高的可靠性，可為隧道建設進一步的施工提供重要支持。

4 結論與討論

實踐證明，在水域工程物探中，在場地地球物理條件不適合的情況下，采用以高密度電法和大地電磁測深法為主的綜合物探在過江隧道工程勘察中取得了較好的效果，對類似工程有借鑒意義。在具體實踐過程中，有以下幾個方面值得注意。

1)水域工程勘察領域，地震反射波法是首選方法，但是在本次工程實踐中，由于水底多次波嚴重，難以得到下覆地層的有效反射信號，地震反射波勘探效果不理想，而水底多次波問題歷來是水域地震勘探的難點與重點，水底多次波的衰減理論仍在不斷發(fā)展之中，目前國內外尚無一種方法能夠有效完全消除水底多次波的影響。

圖7 S2，S1，N1和N2線大地電磁測深視電阻率等值線斷面圖Fig．7 Apparent resistivity pseudosection in magnetotelluric sounding method along line S2，S1，N1 and N2

2)工程實踐表明淡水域高密度電法在探查構造低阻異常地質體效果明顯，但在劃分巖土層界線方面，淡水域高密度電法的分辨率稍有不足，這同樣也是陸地高密度電法半定量解釋的局限性。

3)大地電磁測深探測成果表明城市電磁場能量要比郊區(qū)高一個數量級以上，大地電磁測深法在城市測區(qū)場源能量是有保證的，并在測區(qū)探測構造等低阻地質體方面取得了良好的效果，對類似工程有指導意義。

4)經過現場試驗及數據初步處理可知，工區(qū)內地震反射波法因水底多次波過于嚴重，故不適用于本工程;淡水高密度電法與大地電磁測深法探測均取得了良好效果，互相比對，綜合分析，能較好地探查構造低阻異常地質體，提高了勘探成果可靠度。

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