EH4电磁成像系统在高速公路隧道勘察中的实践应用

[摘 要]安平高速公路的关键节段工程――狗脊关隧道，区域水文地质条件复杂，断层较为发育。文中通过介绍EH4电磁成像系统在该工程项目中隧道的软弱层、地下水及断层构造带位置确定的成功应用，表明利用该系统在特长深埋隧道勘察中能够快速有效的识别并圈定数百米范围内的不良地质体，从而为隧道的设计、施工等提供决策依据。

[关键词]EH4；隧道；软弱层；电磁成像

中图分类号：P631.325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0371-01

引言

在高速公路勘察中需要勘察的内容有很多，而地质结构、工程地质及水文地质条件，地基、边坡稳定性，还有隧道围岩的分类和工程性能是详勘的重要内容。较多的涉及到了物探，其中工程地质及水文地质是其隧道位置的控制因素。

当前，常应用于公路勘察的物探有两种，一是可控源音频大地电磁法，二是本文中的EH-4系统。EH-4系统放弃了Hz测量，使该种物探方法从“EH-5”简化为“EH-4”。由于EH-4电磁成像系统，能够很好地对天然信号与人工信号进行采集和处理，具有探测深度大（约1.5km）、采集信息量大、分辨率高、工作效率高等特点，可很好地应用于高速公路隧道勘察工作。文中就EH4电磁成像系统在高速公路勘察中的实践展开论述，并以安平高速公路段中的狗脊关隧道为例加以说明。

1 EH-4系统

由于EH-4系统较为成熟，已被广大工程技术人员所接受，文中对该系统原理等内容不做赘述，仅对系统组成特点及其简单的工作流程作简要描述。

1.1 EH-4的组成特点

EH-4系统属于部分可控源的大地电磁测深仪，观测的基本参数为正交的两个电场分量（EX，EY）和两个磁场分量（HX，HY）。系统由两个基本的结构组成：接收装置和发射装置。接收装置包括电极、接地电缆、前置转换器、磁探头、传输电缆、主机、12V蓄电池。发射装置包括发射天线、控制器、发射机、蓄电池。由于电池供电系统的小巧和便于携带，EH4可应用在地形比较复杂或环境比较恶劣的地区，且只在天然信号很弱或干扰很强的区域使用发射机。EH4的创新特点有：结合天然场和人工场，补充了天然场缺失或不足；采用半径约2m的两个正交半圆形天线，发射高频电磁波，易于野外工作；高密度的数据采集，提供丰富的地质信息；在每个测点工作结束后，提供电磁场功率谱、振幅谱、视电阻率、相位、相关度、一维反演等信息，便于检查和确保野外资料可靠；能即时得到连续剖面的反演结果[1]。

1.2 EH-4系统的工作过程

EH-4通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率的测深，连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面。系统首先采集野外电磁场信号，然后通过滤波、放大等处理，将之传到主机，利用IMAGEM程序进行进一步的数据处理，最终输出@文件、X文件、Y文件及Z文件。EH-4数据处理主要由IMAGEM程序控制，编辑过程是人机联作形式，得到的二维解释电阻率反映接近大地真实电阻率。EH-4电磁仪可实现单点测量和剖面测量。剖面测量适用于预测电阻率延测向有变化的区域，能提供垂向和侧向电阻率分布和沿特定的方向在相邻测站数据采集。剖面可以沿任意方向布设，不必严格的沿直线。在公路勘测施工中，多使用剖面测量工作方式[2]。

2 实践与分析

2.1 实践资料

本次实践项目为安平高速公路段中的狗脊关隧道。由于隧道埋深较大，且隧道中部不能布置太多深钻孔，也不能采用浅层物探方法，在详勘过程中，结合现场地质调绘的成果，布置了钻探两项及EH-4测线五项的工作，以查清地面以下隧道埋深范围内的断层、破碎带、富水带等地质状况。

平利县地处秦巴山区中部，位于秦岭褶皱系南侧和大巴山弧形构造东缘。断裂带以南以山地地形为主，为震旦系地质。断裂带以北以丘陵地形为主，为志留系地质。由电性角度知，含水较多构造带及第四纪覆盖层的电阻率最低（），而在志留系地质层及震旦系地质层中，泥岩、泥质粉砂岩的电阻率较高，约在之间，相应的，细砂岩的电阻率在左右。

2.2 实践分析

本次物探工作布置有5条测量剖面，测点点距为20m，最终得到了狗脊关隧道的电阻率等值线断面图。文中以工作编号为CX2物探工作的电阻率等值线为例作以简要分析。该物探剖面总体上沿测线范围内的导电性具有横向分块，纵向分层的特点。地表浅层，土质较少；强风化基岩较多，电阻率约在之间；基底为中风化基岩，高阻基底，电阻率在之间。

从左至右看，该剖面电阻率等值线横向不连续，电阻率变化较为明显。电阻率等值线在里程分别为13120～13200m、13200～13240m、13280～13440m及13460～13600m之间剖面部分区域呈低阻闭合曲面线，闭合区域内电阻率在之间，而周围围岩电阻率在左右，由此这些区域为相对低阻区，推测为砂岩破碎或含水，即可圈出含水破碎带4个。而对于13120～13200m之间的剖面区域为较大的低阻异常区，电阻率值低于，低于其上方及右侧围岩的电阻率，推测为岩性发生变化，为含水的破碎带或溶洞，并据电阻率等值线断面图中横向电阻率杂乱且深部电阻率极低，推测为断层构造带。据钻孔显示该处岩性主要为砂岩、砂砾岩，较多密集裂隙，岩石破碎，有承压水，钻孔资料与物探的解释相符合。

3 结语

近年来，铁路、公路等公共设施发展迅速，工程质量要求也逐步提高，一个不可避免的难题就是隧道工程问题。隧道周围一定范围内的地质软弱层及断层构造，对隧道施工产生着安全隐患。本文以实例介绍了EH4电磁成像系统在狗脊关隧道地质勘察的应用效果，该设备轻便，采集、处理效率高，能满足从野外布测到数据处理及解释的任务需求，是技术人员的好帮手。

参考文献

[1] 孙英勋.EH4电磁成像系统在高速公路长大深埋隧道勘察中的应用研究[J].工程地质学报，2005，04：546-550.

[2] 魏士俊.EH4高频大地电磁测深法在隧道勘察中的应用研究[D].成都理工大学，2013.

[3] 刘朋梅，汤洪志，吴楠，余安.EH4电磁成像系统在隧道工程勘探中的应用[J].工程地球物理学报，2014，05：678-682.