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1、可控源音频大地电磁测深 （CSAMT）在长大、深埋隧道勘察中存在的问题及对策张兴昶 （中铁一院甘肃勘察院有限公司，兰州，730000）摘要：本文从总结经验入手，对当前长大隧道采用可控源大地电磁法（CSAMT）勘探中存在的问题及原因做了概略分析，提出了提高 CSAMT 法地质解释推断成果可靠性和准确性的思路与对策。推荐了成果报告的编写模式和物探地质推断成果的分级标准。强调在当前条件下只有从技术和管理两方面入手才能提高物探成果的质量。关键词：长大隧道 CSAMT 法 质量 对策The problem of CSAMT to exploring the deeply buried tunnel an
2、d its countermeasures Zhang xing-chang, Zhang ju-xian(Gansu General Engineering Survey Institute of Railways Co., Ltd.Lanzhou,730000,china)Abstract: The purpose of this paper was to increase working level of physical exploration and exploration quality through finding problem, analyzing the reason a
3、nd advancing some countermeasures. At present, the only way is make use of existing data of geological and geophysical filly, so as to strengthen the match of geological and geophysical, as well as improve technology and organizing management.Key words: large tunnel; CSAMT method; quality ; counterm
4、easures1 概述1.1CSAMT 应用历程1.1.1 回顾目前 CSAMT 在工程勘察系统主要被用于长大、深埋隧道的各个勘察阶段。这种工程全位于山区，地形地质复杂，传统的地面调绘手段对深部地质情况很难推断准确，而深孔钻探费时、费钱，加之工期限制，多数勘察单位不便采用，故把查明深部地质情况的任务大量压在大地电磁这一勘探手段上。铁道部开展 CSAMT，首先由铁一院应用在秦岭特长隧道的勘察中。秦岭铁路隧道长 18.4Km，最大埋深超过 1600m，地形地质复杂。为查明隧道地质情况，铁一院抽调全院地质和物探的骨干力量，组成一个地质大队和一个物探队（特派一名有经验的地质人员配合物探工作） ，广泛收
5、集地质和物探既有资料，并由地质大队统一协调，大力开展综合勘探和综合物探。以 CSAMT 作为探查地质情况（尤其是深部）的主要物探手段，而其他物探方法仅用做浅部勘探及其补充，再附以少量的深孔钻探验证，圆满地完成了该长大、深埋铁路隧道的勘察任务。施工证明勘察资料基本符合地质实际情况。充分显示了综合勘探和 CSAMT 的优越性。之后，铁一院物探公司应邀在南水北调西线长大、深埋输水隧洞的勘察中，仍采用以 CSAMT 为主的综合物探方法并指派一名地质人员配合物探工作，提供的物探勘察报告得到了评审专家的好评，经钻探验证，揭示了物探异常的地质内涵。再次验证了该方法探测深部地质情况的有效性。1.1.2 应用现
6、状在大地电磁勘探方法中，工程勘察系统以应用可控源音频大地电磁测深最为广泛。在长大、深埋隧道勘察中几乎达到了不用这个手段就无法交出资料的程度。故很多工程勘察单位都不惜重金积极引进了 CSAMT 这一勘探手段，并切实解决了大量地质问题。在看到这一可喜现象的同时，也应该看到由于主观和客观的原因，这一方法在长大深埋隧道勘察应用中也出现了一些问题：一是不根据具体地形、地质条件盲目采用；二是多要求沿隧道中线贯通，并提供全断面的地质填绘和相关物性参数；三是任务书下达没有针对性，笼统要求物探查明测线地层、构造、地下水等；四是不提供或极少提供探测地段的地质资料，造成物探专业人员很难或根本无法做出合理的地质推断，
7、更何谈解释推断的可靠性和准确性；五是接受委托的物探方虽知欲探测地段有些不符合 CSAMT 的应用条件，也在没有其他质量保证措施的条件下勉强按要求去做。存在问题更具体的表现和原因分析将在以后章节中叙述。1.2 方法原理和特点CSAMT 是在大地电磁法和音频大地电磁法的基础上发展起来的一种人工源频率测深方法。根据场源布置和测量方式可将 CSAMT 分为标量、矢量和张量三种。标量CSAMT 布置一个场源，由接地导线 AB 向地下供入某一音频的谐变电流，而在一侧或两侧测点同时测量互相垂直的水平磁场分量和电场分量，并由此计算可尼亚视电阻率。通过逐次改变供电和测量频率，便可达到频率测深的目的。该方法主要特
8、点：一是供电偶极距 AB 一般 1-3km，收发距一般 5-10km，要求测线和供电偶极平行或基本平行布置；二是标量 CSAMT 单测线仅适用于一维或已知构造主轴方向的二维地区，在构造复杂地区最好作网格状标量 CSAMT，或采用其它方法验证，否则有发生解释错误的危险；三是 CSAMT 受场源和测点地形及地表电性不均影响严重，而且目前尚没有特别有效的校正方法；四是测线布置对地形要求相对不甚严格；五是效率高成本低，探测深度较大（1-3km） 。后两个特点也就是为什么目前标量 CSAMT 被广泛应用于长大深埋隧道勘探的根本原因。六是 CSAMT 与其他物探方法一样，被探测对象与围岩具有足够的物性差异
9、和大小。2 应用中出现的具体问题和原因分析2.1 存在的主要具体问题：非地质异常和性质不明异常太多，解释推断正确性和准确性还有待进一步提高。不能比较准确的给出地面异常在深部的空间位置和大小；所做地质推断资料宜用做宏观控制，有时不能满足详勘阶段对地质资料的精度要求；使用方要求物探解决地质需要解决的各种问题并提供全断面地质推断，超出物探能力所及。使用方往往不结合其他地质资料对物探推断结果做综合分析，多是直接套用。2.2 原因分析2.2.1 主观原因物探作为地质勘察的一种手段，缺乏综合勘探中“地质调查指导物探”这个重要环节。任务委托方在下达任务书时限制过多，其主要表现一是时间要求过紧，二是规定的方法
10、单一，不给物探采用综合物探的权力，三是不顾地形、地质条件，要求沿隧道中线贯通，限制了物探灵活布线。利用微机软件操作，把复杂的地质问题做简单化处理；综合勘察设计单位对自己所辖的物探队所提供的物探成果不组织评审就给予接收，其结果是物探专业人员没有质量压力。规范要求物探资料不能直接用于设计，而有些地质人员却不加分析地引用物探成果，以致出现不符合地质规律的解释。2.2.2 客观原因物探推断解释的多解性：多解性是影响解释推断可靠性和准确性的根本原因。众所周知，物探是一种间接的勘探手段，其解释过程是通过地质体的物性表现推断物探异常的地质内涵。一种物性异常，可由多种地质问题引起，以岩溶为例，溶洞大，埋藏深与
11、溶洞小埋藏浅所引起的电阻率低阻异常可能是一样的，那么究竟推断成哪一种呢？虽然从理论上可以把方差最小的那个模型做为待解模型，但仅依靠软件不易减少多解，即便加上已知地质条件的“约束” ，仍难以做到单解，因为多数情况下所谓的“已知地质条件”也是不确切的。地形地质条件复杂，影响因素多。标量 CSAMT 和其他物探手段一样均受地形、地质条件的影响产生一些非地质异常，即所谓“假异常” 。标量 CSAMT 方法受场源和地形，地表电性不均的影响尤为明显，而且当前没有特别有效的校正方法。大量实践表明，由地形和地表电性不均引起的电阻率失真可达 1-2 个数量级，比如在沟谷能把本来的高阻变得更高，把原来的低阻变成高
12、阻，本来应该有的低阻异常由于地形等的影响，异常消失了。同样由于地形的影响，在山脊上往往出现了相对较宽的低阻异常带。虽然该方法规定了适用条件，但长大隧道均处于地形、地质复杂地段，如果严格按理想条件办事，本方法就无用武之地了。综上所述，标量 CSAMT 适用于一维和已知构造主轴方向的二维地区，且其软件是在理想模型条件下把复杂问题简化处理编制的，现场实际地质情况多是三维的甚至多维，经过简化处理编制的解释软件，难以适应千变万化的地质条件。虽然经过各种校正后情况会变得好一些，但目前仍无法彻底解决这些影响，这也是物探需要地质配合的根本原因。由于众所周知的原因，多数物探专业人员地质知识不足，又不重视收集既有
13、地质、物探资料。地质专业人员同样掌握物探知识太少，加之体制所限，难于主动配合物探工作，致使物探的解释推断缺乏已知地质条件约束，其结果可能是物探成果质量不高，甚至出现低级错误。3、提高物探地质解释推断准确性和可靠性的思路和对策提高 CSAMT 成果的质量最根本的出路在于采用先进的仪器设备和提高数据处理技术水平。但在现有软硬件条件下，大力开展综合物探，加强地质与物探两专业的配合以及改善技术、组织管理等也是提高物探解释成果质量比较有效的措施。3.1 广泛收集既有地质、物探资料并深入研究1、在利用既有资料方面，工程物探和地质填图阶段应用物探，二者不在同一个起跑线上，虽然二者的工作重点都是验证地质调查和
14、发现隐伏的新的地质问题，但工程物探可以利用的地质、物探资料要多一些。工程物探的困难是工程设计需要物探提供更为准确和可靠的高精度资料。目前 1/20 地质图已基本覆盖全国（已实现数据共享） ，该图和报告可靠程度较高，能满足物探工作需要的对工作区地层、构造等先做宏观了解的要求。再收集本工程已做过的地质测绘和勘探试验等资料。通过认真研究和深入掌握，对物探解释推断的准确性和可靠性有极大的帮助。上述资料应该由委托方提供，地质人员应该把经过消化及现场核对过的资料概略表示在平面图及代表性洞身纵断面图上，以方便物探人员参照使用。2、在深入研究现有地质、物探资料的基础上，结合现场踏勘认真编写物探勘察纲要。编写勘
15、察纲要的过程是对既有资料进一步领会和消化的过程，结合工程需要和现场地球物理特征拟定勘探重点，有针对性的选用物探方法和测线布置、测点密度并估计工作量，制定质量保证措施。经委托方或本单位专业主管审批后执行。以上两条做好了，就具备了做好物探工作的前提。3.2 数据采集阶段野外数据采集是物探工作的第一步，只有采集到高质量的数据才可能为内业正确、可靠的解释推断提供有力保证。1、委托方可只提勘察目的和技术要求，给物探实施人员以灵活布置测线和设计点距的权利。在构造、地形复杂地区，标量 CSAMT 能否成功完全取决于场源和测量方位的选择以及资料采集的密度。单场源的工作法，在构造复杂地区，解释推断有发生错误的危
16、险，例如：一条直线延伸倾角很陡的断层，如果场源偶极垂直于断层走向布置，用标量 CSAMT 法是有效的，如果平行于断层走向布置，断层的识别和位置的确定就十分困难了。长大隧道其走向一般很少与构造主轴方向垂直，也不允许与构造主轴走向平行，多以较大角度斜交构造主轴方向通过，这就要求物探人员结合现场实际情况灵活布置测线，以满足标量 CSAMT 方法用于一维或已知构造主轴方向二维解释的前提。如果硬性要求测线沿隧道中线贯通，有些情况下反而达不到勘探目的，比较可行的做法是沿两侧比较靠近中线的沟谷或山顶相对平缓地段（岩溶勘探除外） ，结合地形和构造主轴走向灵活布线，这样既满足了标量 CSAMT 解释的要求，又可基本覆盖全线。2、严格野外工作布置是提高数据质量的基本保证CSAMT 与其它所有需要测量电场分量的电法勘探方法一样受地形和地表电性不均匀影响，所以，在工作设计和测点布置时必须认真考虑地形和表层电性不均匀的影响，最好能够避开，如实在无法避开则必须作好记录，在测量完成之后进行校正；其次，场源的选择应在保证信号有一定强度的
