CN110231659A - 埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法 - Google Patents

Abstract

埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法，以有效对铁路线路中线地下断面的地质情况进行探测，确保物探资料的可靠性。包括如下步骤：沿线路方向布置11条测线；分别采用航空瞬变电磁法、航空天然场电磁法进行探测，得到相应探测资料；对航空瞬变电磁法探测资料拟三维反演，得到中线地下断面的航空瞬变电磁法勘探反演电阻率断面图；对航空天然场电磁法探测资料进行拟三维反演，得到中线地下断面的航空天然场电磁法勘探反演电阻率断面图；进行11条测线组合的拟三维联合反演，得到两种方法、11条测线组合资料的地下空间拟三维联合反演电阻率数据组；成图处理，得到中线地下断面的联合反演电阻率断面图，以该图作为后续资料解释的基本依据和基本图件。

Description

埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法

技术领域

本发明涉及应用地球物理领域的航空电磁法探测方法，特别涉及埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法。

背景技术

川藏铁路雅安至林芝段正线长度约1000余公里，其中隧道总长约800公里，隧线比高达80％。线路穿越横断山脉，跨越金沙江、澜沧江、怒江，是世界上地形地质条件最为艰险复杂的铁路，沿线地形陡峻和高寒缺氧等问题非常突出，若开展地面物探工作，相当部分地段人员无法达到线位，预计有60％的段落会出现资料空白。

航空物探方法分为航空重力、航空磁法、航空放射性和航空电磁法四种大类方法，其中航空电磁法大类方法还可细分为航空瞬变电磁法和航空天然场电磁法两种方法。上述前三种大类航空物探方法不能确定所探测目标体的深度，航空电磁法可以确定所探测目标体的深度，但是目前国内外绝大部分仪器厂商生产的航空电磁法仪器探测深度一般不超过200米，而川藏铁路隧道埋深大多在800米左右，一些隧道局部埋深甚至超过1000米，因此航空电磁法的探测深度严重偏浅，不能满足铁路隧道探测深度的要求，故航空电磁法至2018年前一直未用于铁路物探工作。

近10年来，随着技术的进步和发展，加拿大GEOTECH公司(GEOTECH GROUP OFCOMPANIES)研发了航空瞬变电磁法和航空天然场电磁法两个系统，该公司对电磁法仪器的发射线圈直径、发射功率、发射波形、仪器材料和元器件等进行了大量改进，探测深度有了较大提高，在航空电磁法技术上取得了较大突破。该公司与中国核工业航遥中心合作，在青海格尔木等高寒山区的矿产资源航空电磁法探测工作中，航空瞬变电磁法的探测深度可达400～600米，其方法资料的分辨率较高；航空天然场电磁法的探测深度可达2000米，其方法资料的分辨率较宏观。

迄今为止，航空电磁法主要用于矿产资源探测中，在平面上探测区域形状一般大致呈矩形，通过探测，要求得到矩形区域地下的地质情况，因此矿产资源探测属于面积性探测，在矩形区域进行探测所要求的探测深度一般变化不大。所以在矿产资源探测中一般仅采用一种物探方法进行探测即可达到目的，如当要求探测深度小时，一般采用航空瞬变电磁法；当要求探测深度大时，一般采用航空天然场电磁法。在川藏铁路使用航空电磁法进行隧道地质探测或线路方案比选，在我国工程领域的地质探测或者在世界铁路工程探测中尚属首次，铁路隧道航空电磁探测方法的选择和组合没有先例可以借鉴。

铁路工程为线状工程或条带状工程，在平面上探测区域为线带状，以探测铁路线路中线地下断面的地质情况为目的，在川藏铁路的隧道地质探测中，要求探测深度为地面至隧道基底以下50米范围，即探测深度约为0～1500米不等，应重点探测隧道洞身高程范围内的地质情况。在川藏铁路需要进行航空电磁法探测的隧道一般为地形陡峻、高寒缺氧、人员无法达到地面线位进行地面物探的长大深埋隧道，这些隧道的埋深大部分地段大多在800m左右，同时隧道所处地形起伏较大，因此在较小范围内呈探测深度大和探测深度变化大的特征。

川藏线雅安至昌都段沿线隧道的岩性主要为砂板岩，属于低电阻率岩性，根据地电条件估算，航空瞬变电磁法的探测深度一般约为400m，属于浅层探测，资料分辨率较高；航空天然场电磁法法的探测深度约为2000m，属于中深层探测，资料分辨率较宏观。

由上所述，当按矿产资源探测的方式采用单一的电磁方法进行探测，如：仅采用航空瞬变电磁法进行探测，对于埋深大的隧道地段则不能满足探测深度的要求；若仅采用航空天然场电磁法进行探测，则对于埋深小的隧道地段，因没有高频段资料，隧道浅埋段洞身高程范围出现资料空白。故仅采用单一的航空电磁方法不能达到探测埋深变化大隧道的目的。

综合考虑以上情况，为达到探测埋深变化大铁路隧道的目的、保证隧道不同深度资料的完整性和分辨率，提出了一种适宜埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法，以有效对铁路线路中线地下断面的地质情况进行探测，确保物探资料的可靠性，且最大可能地实现探测工作的经济性、合理性和高效性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，包括如下步骤：

①沿线路方向并对称线路中线、在线路中线及左右两侧不等间距布置11条测线，即由距中线最近的测线间距较小逐渐变至距中线最远的测线间距较大；两最边缘测线间距为隧道探测深度的两倍；测线长度在隧道长度的基础上两端各延伸3000m长度；

②在步骤①所述测线位置，分别采用航空瞬变电磁法、航空天然场电磁法进行探测，得到相应的航空瞬变电磁法探测资料、航空天然场电磁法探测资料；

③对航空瞬变电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维反演，计算得到地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组，从中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的航空瞬变电磁法勘探反演电阻率断面图；

④对航空天然场电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维反演，计算得到地下空间拟三维天然场电磁法勘探反演电阻率数据组，从中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的航空天然场电磁法勘探反演电阻率断面图；

⑤将航空瞬变电磁法探测资料和航空天然场电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维联合反演，反演时以地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组作为航空天然场电磁法探测资料中的浅部探测资料的初始模型，再与航空天然场电磁法探测资料中的中深部探测资料进行联合反演，最终得到两种方法、11条测线组合资料的地下空间拟三维联合反演电阻率数据组；

⑥在地下空间拟三维联合反演电阻率数据组中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的联合反演电阻率断面图，以该图作为后续资料解释的基本依据和基本图件。

本发明的有益效果主要体现在如下方面：

一、同时采用航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法进行探测，即同时采集了浅部和深部航空电磁探测资料，并通过资料处理中两种方法资料的三维联合反演，把原来航空瞬变电磁法浅部资料与航空天然场电磁法深部资料、即相互独立和割裂的两种资料有机地联系和融合在一起，得到了浅部地质情况和中深部地质情况均有的完整资料，解决了铁路隧道埋深变化大的探测难题；

二、特别适合于埋深变化大的铁路隧道探测，保证了隧道探测资料的完整性和精度，航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法两种方法资料相互印证、互为补充、浅层资料和中深层资料兼顾；

三、为铁路隧道航空电磁法探测的方法选择和组合提供了科学依据，保证了埋深变化大的隧道中线地下断面物探资料的可靠性，最大可能地实现了经济、合理、高效。

附图说明

本说明书包括如下六幅附图：

图1是本发明中测线布置方式示意图(立面)；

图2是本发明中测线布置方式示意图(平面)；

图3是实施例中线地下断面的航空瞬变电磁法勘探反演电阻率断面图；

图4是实施例中线地下断面的航空天然场电磁法勘探反演电阻率断面图；

图5是实施例中线地下断面的联合反演电阻率断面图；

图6是实施例的地质断面图；

图7是实施例的三维联合反演地质解释成果断面图。

图1、图2中示出标记的含义：线路中线A、测线长度L、隧道长度L₀、延伸段长度L₁、第一测线1、第二测线2、第三测线3、第四测线4、第五测线5、中央测线6、第七测线7、第八测线8、第九测线9、第十测线10、第十一测线11。

具体实施方式

下面结合附图和以川藏铁路孜拉山隧道航空电磁法探测作为实施例对本发明进一步说明。

孜拉山隧道位于贡觉县罗麦乡和则巴乡，全长30415m，埋深约0～1500m，隧道埋深变化非常大。如图6所示，该隧道位于金沙江缝合带，构造较发育，穿越竹英-山岩断层、罗麦-阿尼断层、波罗-木协断层等断层。隧道地表上覆第四系全新统冲洪积层(Q₄ ^al+pl)粉质黏土、细圆砾土、碎石土、卵石土；坡残积层(Q₄ ^dl+el)粉质黏土；下伏基岩为雄松群大理岩组(P_txn^b)大理岩夹片麻岩、石英岩；雄松群片麻岩组(P_txn^a)片麻岩夹片岩、糜棱岩；(ηγ₅ ^2b)二长花岗岩(燕山期)；(ηγ₅ ¹)二长花岗岩(印支期)；(γδ₅ ¹)花岗闪长岩(印支期)；(γδ₄)花岗闪长岩(华力西期)。

采用航空电磁法对孜拉山隧道进行探测，目的是查明主要岩性界线、地质构造，特别是查明断层产状(视倾角)以及破碎、软弱、岩溶发育或富水岩体的埋深和规模，应重点判释隧道洞身高程范围内的资料，为隧道设计提供基础资料。

如果仅仅使用航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法中的一种方法进行探测，会导致两种结果：一种结果是仅使用航空瞬变电磁法进行探测，可能满足隧道埋深小地段的探测要求，但对于隧道埋深大的地段，因航空瞬变电磁法探测深度小，隧道洞身附近的航空瞬变电磁法探测深部资料缺失或可信度低，不能满足隧道埋藏深度大地段的探测要求；另一种结果是仅使用航空天然场电磁法进行探测，可能满足隧道埋深大地段的探测要求，但对于隧道埋深小的地段，因隧道洞身附近的航空天然场电磁法探测浅部资料缺失或可信度低，不能满足隧道埋藏深度小地段的探测要求。由上所述，如果仅仅使用航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法中的一种方法进行探测，则造成深部资料或浅部资料缺失，在隧道埋深变化较大的铁路隧道探测中，不能满足要求。

埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，按如下步骤进行：

①沿线路方向并对称线路中线、在线路中线及左右两侧不等间距布置11条测线，即由距中线最近的测线间距较小逐渐变至距中线最远的测线间距较大；两最边缘测线间距为隧道探测深度的两倍；测线长度在隧道长度的基础上两端各延伸3000m长度。

11条测线的具体布置方式如图1、图2所示。

测线包括：中央测线6，布置于线路中线A位置；左侧测线群、右侧测线群，沿线路方向分别布置于线路中线A的左侧、右侧，左侧测线群、右侧测线群中各测线相对于中央测线6对称布置，同侧测线线间距由距中央测线6最近的测线线间距为最小，逐渐变至距中央测线6最远的测线线间距为最大，大量节省测线布置数量，且可有效对铁路线路中线地下断面的地质情况进行勘探，确保物探资料的可靠性，且最大可能地实现勘探工程的经济性、合理性和高效性。左侧测线群最边缘测线与右侧测线群最边缘测线之间的间距为隧道勘探深度的2倍，隧道位置的勘探深度可以达到地面至隧道基底以下50米范围，满足了川藏铁路隧道勘探深度的基本要求。中央测线6、左侧测线群和右侧测线群中各测线的测线长度L为隧道长度L₀与由隧道两端向外延伸的延伸段长度L₁之和，以克服测线两端资料边缘效应的不利影响。

参照图2，左侧测线群由5条测线构成，距中央测线6由远至近依次为第一测线1、第二测线2、第三测线3、第四测线4和第五测线5；右侧测线群由5条测线构成，距中央测线6由近至远依次为第七测线7、第八测线8、第九测线9、第十测线10和第十一测线11。在本实施例中，第五测线5、第七测线7与中央测线6的间距为50m；第四测线4与第五测线5的间距、第七测线7与第八测线8的间距为100m；第三测线3与第四测线4的间距、第八测线8与第九测线9的间距为200m；第二测线2与第三测线3的间距、第九测线9与第十测线10的间距为300m；第一测线1与第二测线2的间距、第十一测线11与第十测线10的间距为400m；第一测线1与第十一测线11的间距为2100m，可满足勘探深度为1000m的要求。延伸段长度L₁为3000m，足以克服测线两端资料边缘效应的不利影响。

②在步骤①所述测线位置，分别采用航空瞬变电磁法、航空天然场电磁法进行探测，得到相应的航空瞬变电磁法探测资料、航空天然场电磁法探测资料。

③对航空瞬变电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维反演，计算得到地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组，即地下空间任意位置的反演电阻率数据集合。从地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的航空瞬变电磁法勘探反演电阻率断面图(如图3所示)。

④对航空天然场电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维反演，计算得到地下空间拟三维天然场电磁法勘探反演电阻率数据组，即地下空间任意位置的反演电阻率数据集合。从地下空间拟三维天然场电磁法勘探反演电阻率数据组中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的航空天然场电磁法勘探反演电阻率断面图(如图4所示)。

⑤将航空瞬变电磁法探测资料和航空天然场电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维联合反演，最终得到两种方法、11条测线组合资料的地下空间拟三维联合反演电阻率数据组。

拟三维联合反演部分有如下6个要点：

1.采用ZTEM－MT3Dinv软件对孜拉山11条测线的航空瞬变电磁法探测资料和航空天然场电磁法探测资料进行拟三维联合反演，把地形和电磁接收线圈离地高度作为反演的约束参数；

2.反演时必须以地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组作为航空天然场电磁法探测资料中的浅部探测资料的初始模型，再与航空天然场电磁法探测资料中的中深部探测资料进行联合反演；

所述浅部探测资料是指航空天然场电磁法探测资料中探测深度大致为0～500米的探测资料。所述中深部探测资料是指航空天然场电磁法探测资料中探测深度大致为500米深度以下的探测资料。

3.在地表，反演网格尺寸为100m(长度)×100m(宽度)×3m(厚度)，长度和宽度尺寸不随深度变化，厚度尺寸则随着深度增加呈几何级数增加；

4.沿测线方向和垂直测线方向的倾子实部和虚部4种参数参与反演，倾子参数的频率范围为25Hz～600Hz；

5.初始电阻率设置为3000Ω·m，电阻率范围为1～1000000Ω·m；

6.反演时相对误差设置为20％，倾子噪声设置为1％，经过20余次叠加得到反演结果，即最终得到孜拉山航空瞬变电磁法和航空天然场电磁法、11条测线的组合资料的地下空间拟三维联合反演电阻率数据组，即地下空间任意位置的反演电阻率数据集合。

⑥在地下空间拟三维联合反演电阻率数据组中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的联合反演电阻率断面图(如图5示出)，以该图作为后续资料解释的基本依据和基本图件。

综合分析孜拉山隧道中线地下断面的联合反演电阻率断面图(图5)以及地质断面图(图6)，以物探资料为主、地质资料为辅，解释原则如下：

1.结合地质资料，把中线地下断面的联合反演电阻率断面图中的电阻率梯度高值带解释为断层破碎带。

2.按照反演电阻率值的相对大小、从小到大，把中线地下断面的联合反演电阻率断面图中的低阻异常分为物探Ⅴ类异常、物探Ⅳ类异常和物探Ⅲ类异常以及Ⅱ类区域，分别对应于极破碎、极软弱、岩溶强烈发育或富水体；破碎、软弱、岩溶中等发育或含水岩体；较破碎、较软弱或岩溶强烈发育弱岩体和较完整岩体。

以下对本发明应用在孜拉山隧道的探测效果和单一方法的探测效果进行比较：

一、本发明应用的探测效果

图5是孜拉山隧道的中线地下断面的联合反演电阻率断面图，图6是孜拉山隧道的地质断面图，图7是孜拉山隧道的三维联合反演地质解释成果断面图。根据上述资料解释原则1，结合图6示出的地质资料，把图5中所显示的电阻率梯度高值带解释为断层破碎带，结果详见图7的隧道洞身C31K701+130、C31K703+050、C31K706+450、C31K708+190、C31K708+830、C31K712+330、C31K713+960、C31K716+340、C31K720+750和C31K726+420位置；根据上述资料解释原则2，把图5中所显示的低阻异常进行分类解释，结果详见图7的三维联合反演地质解释成果断面图。

图5中线地下断面的联合反演电阻率断面图以及图7三维联合反演地质解释成果断面图与图6地质断面图中的地质调绘资料以及遥感资料高度吻合，说明同时采用航空瞬变电磁法和航空天然场电磁法进行探测并且通过两种方法资料的联合反演，其资料的解释结果完全满足隧道地质勘探的要求。

综上，在孜拉山隧道应用本发明的埋深变化大的铁路隧道航空电磁探测方法，较好对隧道范围所存在的断层、破碎、软弱岩溶发育和富水岩体等进行了探测，达到了隧道地质探测目的。

二、单一探测方法的探测效果

图3是为孜拉山隧道的中线地下断面的航空瞬变电磁法勘探反演电阻率断面图。一方面，由该图可知，由于航空瞬变电磁法资料在浅部(隧道浅埋段)分辨率和可信度均较高，如在C31K713+960、C31K716+340、C31K720+750和C31K726+420等隧道洞身埋深较浅位置存在电阻率梯度高值带，对应图6中下部地质资料显示的断层破碎带，说明与地质资料吻合较好；另一方面，由图3可知，由于航空瞬变电磁法资料在中深部(隧道深埋段)缺失或可信度低，如在C31K701+130、C31K703+050、C31K706+450、C31K708+190、C31K708+830和C31K712+330等隧道洞身埋深较大的位置未显示或显示不明显存在电阻率梯度高值带，而在图6的地质资料显示在其位置存在断层破碎带，因此航空瞬变电磁法勘探资料在隧道埋深较大地段与地质资料吻合度差。

图4是孜拉山隧道的中线地下断面的航空天然场电磁法勘探反演电阻率断面图。一方面，由该图可知，由于航空天然场电磁法资料在中深部资料(隧道深埋段)可信度高，但资料分辨率低，如在C31K701+130、C31K703+050、C31K706+450、C31K708+190、C31K708+830和C31K712+330等隧道洞身埋深较大位置存在电阻率梯度高值带，对应图6地质资料显示的断层破碎带，与地质资料吻合较好，但资料分辨率低；另一方面，由图4可知，由于航空天然场电磁法在浅部(隧道浅埋段)资料缺失或可信度低，如在C31K713+960、C31K716+340、C31K720+750和C31K726+420等隧道洞身浅埋位置未显示或显示不明显存在电阻率梯度高值带，而在图6的地质资料显示在其位置存在断层破碎带，因此航空天然场电磁法勘探资料在隧道浅埋段与地质资料吻合度差，中深部资料的分辨率也较低。

综上，仅采用航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法中的一种方法探测埋深变化大的隧道，不能解决隧道的探测问题，不能满足埋深变化大隧道探测的要求。

本发明中同时采用航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法进行探测，并通过资料处理中两种方法资料的三维联合反演，把原来航空瞬变电磁法或航空天然场电磁法相互独立和割裂的资料有机地联系和综合起来，解决了铁路隧道埋深变化大的探测难题。本发明的航空电磁组合探测方法特别适合于埋深变化大的铁路隧道探测。

Claims (6)

1.埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，包括如下步骤：

①沿线路方向并对称线路中线、在线路中线及左右两侧不等间距布置11条测线，即由距中线最近的测线间距较小逐渐变至距中线最远的测线间距较大；两最边缘测线间距为隧道探测深度的两倍；测线长度在隧道长度的基础上两端各延伸3000m长度；

②在步骤①所述测线位置，分别采用航空瞬变电磁法、航空天然场电磁法进行探测，得到相应的航空瞬变电磁法探测资料、航空天然场电磁法探测资料；

③对航空瞬变电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维反演，计算得到地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组，从中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的航空瞬变电磁法勘探反演电阻率断面图；

④对航空天然场电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维反演，计算得到地下空间拟三维天然场电磁法勘探反演电阻率数据组，从中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的航空天然场电磁法勘探反演电阻率断面图；

⑤将航空瞬变电磁法探测资料和航空天然场电磁法探测资料进行11条测线组合的拟三维联合反演，反演时以地下空间拟三维瞬变电磁法勘探反演电阻率数据组作为航空天然场电磁法探测资料中的浅部探测资料的初始模型，再与航空天然场电磁法探测资料中的中深部探测资料进行联合反演，最终得到两种方法、11条测线组合资料的地下空间拟三维联合反演电阻率数据组；

⑥在地下空间拟三维联合反演电阻率数据组中抽取线路中线地下断面位置的反演电阻率数据进行成图处理，得到中线地下断面的联合反演电阻率断面图，以该图作为后续资料解释的基本依据和基本图件。

2.如权利要求1所述埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，其特征是：所述步骤⑤中，浅部探测资料是指航空天然场电磁法探测资料中探测深度大致为0～500米的探测资料；中深部探测资料是指航空天然场电磁法探测资料中探测深度大致为500米以下的探测资料。

3.如权利要求2所述埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，其特征是：所述步骤⑤中，在地表反演网格尺寸长度×宽度×厚度为100m×100m×3m，长度和宽度尺寸不随深度变化，厚度尺寸随着深度增加呈几何级数增加。

4.如权利要求2所述埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，其特征是：所述步骤⑤中，沿测线方向和垂直测线方向的倾子实部和虚部4种参数参与反演，倾子参数的频率范围为25Hz～600Hz。

5.如权利要求2所述埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，其特征是：所述步骤⑤中，初始电阻率设置为3000Ω·m，电阻率范围为1～1000000Ω·m。

6.如权利要求2所述埋深变化大铁路隧道航空电磁探测方法，其特征是：所述步骤⑤中，反演时相对误差设置为20％，倾子噪声设置为1％，经过20余次叠加得到反演结果。