铁路隧道的地空电磁法阵列勘察方法及其测线布置方法与流程

1.本发明涉及地质勘探技术领域，尤其是一种铁路隧道的地空电磁法阵列勘察方法及其测线布置方法。


背景技术：

2.地质体均以三维的形态附存，蚀变带、断层、褶皱等复杂的地质体往往呈不规则形态，仅剖面勘察难以查明地质体结构形态，尤其是在隧道方案研究阶段，需查明拟设隧道中线两侧较大范围内岩层及构造情况，给隧道定线提供充分依据。山区的隧道工程地形地质条件复杂，钻探、地面物探等作业难度大，目前一般采用地面物探进行控制性剖面勘察，利用形成的二维物探电性剖面来判译地质条件，仍存在地质体结构判译不准的明显不足。国外在矿产资源勘察领域较早的采用区域重磁三维反演和可视化技术，阵列电磁系统在探矿领域也有所应用。国内的在矿产资源勘察行业一般较多的采用三维反射地震和航磁来查明目标矿体的空间分布，申请人在铁路勘察过程中引入了航空电磁法，具体可参考cn201910619455-基于航空电磁法铁路隧道三维选线方法以及cn201910336102-铁路隧道航空电磁法勘探测线布置方法，可根据测线二维数据联合反演形成三维数据，为处于复杂地形地质条件下的隧道选线提供了有力支撑，航空电磁法物探是一种使用大型直升机的非接触式物探方法，可用于线路左右2km宽的廊道内地质选线，但与接触式物探相比，仍存在成本畸高、精度较差的明显不足。现有的航空电磁法还可以参照cn201910593923-一种弯曲铁路隧道中线航空物探数据提取方法以及cn202010902527-一种铁路隧道无人机电磁探测方法等。
3.地空电磁探测方法是采用地面发射、空中接收的方式,融合地面电磁方法和航空电磁方法的优势,具有高效率和大深度探测的潜力,可以在地面人员难以进入的复杂地形区域进行探测。近年来，大量学者研究地空电磁法这种地球物理勘察方法，并陆续应用于采空区、地下水等探测中，该物探方法在铁路隧道尤其是艰险山区铁路隧道的勘察中亦可发挥重要的作用，但地空电磁法在工程方面应用仍较为罕见，铁路隧道勘察至今，甚至尚未引入地空电磁法。
4.此外，目前采用电磁探测时，测线一般是与线路中线平行，如cn201910336102-铁路隧道航空电磁法勘探测线布置方法，经过研究发现，由于不同地区的岩层和构造主要方向是不同的，这样的布线方式并不一定能够采集到最多的数据，影响探测的准确性，且测线之间的间距设计也是根据经验确定，并没有形成明确的标准，将其用于其他地区时，又要重新根据经验确定测线间距，影响效率。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种铁路隧道的地空电磁法阵列勘察方法及其测线布置方法，以有效对地下复杂地质体结构进行三维探查，提高岩层及构造等地质体勘察的准确度，且实现勘探工程的标准化和高效性。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：铁路隧道的地空电磁法阵列勘察测线布置方法，
7.确定勘探范围的长度l、宽度b、深度h、隧洞的最大埋深h1和隧洞的最小埋深h0；
8.确定隧区岩层和构造主要方向与隧洞轴向的轴线夹角θ；
9.确定测线数量：
10.洞轴夹角θ＜45
°
时，测线的方向为垂直于隧洞轴向，测线的数量n为勘察范围长度l与最小埋深h0比值的整数数值加1，前n-1条测线之间的间距d0均为h0；
11.洞轴夹角θ＞45
°
时，测线的方向为平行于隧洞轴向，测线的数量n为勘察范围宽度b与最小埋深h0比值的整数数值加1，前n-1条测线之间的间距d0均为h0；
12.洞轴夹角θ＝45
°
时，测线的方向既可以垂直于隧洞轴向，也可以平行于隧洞轴向，测线的数量为n，前n-1条测线之间的间距d0均为h0。
13.进一步地，第1条测线和第n条测线均与勘探范围的界限重合。
14.进一步地，当测线的方向垂直于隧洞轴向时，每条测线的长度为b。
15.进一步地，当测线的方向平行于隧洞轴向时，每条测线的长度为l。
16.铁路隧道的地空电磁法阵列勘察方法，采用上述方法布置测线；
17.在每根测线处进行地空电磁勘察，得到每根测线处的剖面电阻率；
18.将所有剖面电阻率进行联合反演，得到勘探范围的三维电阻率。
19.进一步地，在三维电阻率的任意位置进行切割，提取任意一个剖面的电阻率。
20.进一步地，每根测线处的剖面高度为h，底边长度为b。
21.本发明的有益效果是：本发明根据洞轴夹角θ来确定测线的方向，使得测线与岩层和构造主要方向之间具有尽可能多的交点，测得更多的数据，得到更加详尽的岩层和构造特征，从而联合反演得出更加准确的三维电阻率，提高岩层及构造等地质体勘察的准确度。同时为了确保浅埋段勘察精度和三维电阻率模型单元格的均匀性，需形成测线间距的一致性量化布置原则，大部分测线之间的间距等于隧洞的最小埋深h0，本发明规范了地空电磁法阵列勘察测线的方向和间距设计，后续勘察设计可按照本发明进行，有利于实现勘探工程的标准化和高效性。
附图说明
22.图1是勘探范围内的轴线夹角θ的平面示意图；
23.图2是勘探范围的立面示意图；
24.图3是轴线夹角θ小于45
°
时测线的布置示意图；
25.图4是轴线夹角θ大于45
°
时测线的布置示意图；
26.图5是阵列测线的电阻率剖面示意图；
27.图6是联合反演的三维电阻率成果图；
28.图7是基于三维电阻率提取的任意剖面电阻率示意图；
29.图8是实施例一地空电磁法勘察平面示意图；
30.图9是实施例一阵列测线的电阻率剖面示意图；
31.图10是实施例一联合反演的三维电阻率成果图；
32.图11是实施例一基于三维电阻率提取的任意剖面电阻率；
33.图12是测线布置对比示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
35.本发明的铁路隧道的地空电磁法阵列勘察方法，先布置测线，具体为：
36.确定勘探范围d的长度l、宽度b、深度h、隧洞的最大埋深h1和隧洞的最小埋深h0，如图1和图2所示，勘探范围d一般为长方体形的立体空间，隧洞a为规划的隧道位置，勘探范围d的长度方向与隧洞a的长度方向相同，勘探范围d的长度为l，宽度为b、深度为h，隧洞a完全位于勘探范围d内部，以保证能够对隧道周围的岩层和构造进行全面有效地勘察。最小埋深h0即隧洞a到地表的最小距离，最大埋深h1即隧洞a到地表的最大距离。图中，c为隧区岩层和构造主要方向，轴线夹角θ即为隧区岩层和构造主要方向c与隧洞a之间的夹角。
37.隧区岩层和构造主要方向c可通过区域资料得到，隧洞a的轴向根据铁路路径、走向进行设计得到，然后确定隧区岩层和构造主要方向与隧洞轴向的轴线夹角θ。
38.确定测线数量：洞轴夹角θ＜45
°
时，测线的方向为垂直于隧洞轴向，测线的数量n为勘察范围长度l与最小埋深h0比值的整数数值加1，前n-1条测线之间的间距d0均为h0；洞轴夹角θ＞45
°
时，测线的方向为平行于隧洞轴向，测线的数量n为勘察范围宽度b与最小埋深h0比值的整数数值加1，前n-1条测线之间的间距d0均为h0；洞轴夹角θ＝45
°
时，测线的方向既可以垂直于隧洞轴向，也可以平行于隧洞轴向，测线的数量为n，前n-1条测线之间的间距d0均为h0。即当洞轴夹角θ＝45
°
时，既可以按照洞轴夹角θ＜45
°
时的方式布置测线，也可以按照洞轴夹角θ＞45
°
时的方式布置测线。
39.如图3所示，洞轴夹角θ＜45
°
时，测线为测线1、测线2、测线3
……
测线n-2、测线n-1以及测线n，所有测线的方向为垂直于隧洞a，而当洞轴夹角θ＞45
°
时，如图4所示，测线为测线1、测线2、测线3
……
测线n-2、测线n-1以及测线n，所有测线的方向为平行于隧洞a，这样布置测线的好处在于，使得每根测线与隧区岩层和构造主要方向c具有更多的交点，如图12所示，洞轴夹角θ＜45
°
时，测线m1垂直于隧洞a,测线m2平行于隧洞a，测线m1垂直于测线m2，从图中可以看出，同样长度的测线，测线m1与隧区岩层和构造主要方向c的交点多于测线m2与隧区岩层和构造主要方向c的交点，因此测线m1可以测出更多的岩层和构造特征，得到更加准确的勘察结果。
40.如图3和图4所示，测线之间的间距尽量一致，具体地，前n-1条测线之间的间距d0等于隧洞的最小埋深h0，建立测线间距d0量化布置原则，当测线间距d0≤隧道最小埋深h0，能满足最大埋深h1时勘察精度，同时考虑经济性，按照测线间距d0等于最小埋深h0，确保图3沿隧洞a或图4垂直隧洞方向测线间距d0等同，以得到沿图3沿隧洞a或图4垂直隧洞方向三维电阻率模型单元格均一性。
41.为了对勘探范围d进行更加全面地勘察，测线应当覆盖勘探范围d的边界界限，即第1条测线和第n条测线均与勘探范围的界限重合。以图3为例，第1条测线与勘探范围d的左侧界限重合，第2条、第3条、第4条
……
第n-2条、第n-1条依次布置，且间距d0等于隧洞的最小埋深h0，第n条测线则与勘探范围d的右侧界限重合，第n条测线与第n-1条测线之间的距离为d1，d1为不定值，勘探范围d的长度l除以最小埋深h0的余数加上d0即为d1，如果勘探范围d的长度l能够被最小埋深h0整除，则d1等于d0。
42.当测线的方向垂直于隧洞轴向时，每条测线的长度为b，当测线的方向平行于隧洞轴向时，每条测线的长度为l。可以保证对勘探范围d进行全面勘察，又不会测到勘探范围d之外的部分。
43.测线布置好后，在每根测线处进行地空电磁勘察，得到每根测线处的剖面电阻率，如图5所示，每根测线处的剖面高度为h，底边长度为b。
44.将所有剖面电阻率进行联合反演，得到勘探范围d的三维电阻率，如图6所示。
45.在三维电阻率的任意位置进行切割，即可提取任意一个剖面的电阻率。
46.实施例一
47.某铁路沿线隧道位于高原腹地，测区属于构造剥蚀高山区，主要特征是地形陡峭，遍布悬崖峭壁，山坡大多达35
°
以上，沟谷狭窄，多呈“v”型，两边边坡陡峻，植被茂密，勘探范围d的长度l为4.05km，宽度b为1.0km,隧洞最大埋深h1为400m，最小埋深h0为100m，勘探范围整体并行于金沙江断裂及其密集的分支断裂，岩层走向于断裂基本一致，勘探范围d内的岩层和构造走向与隧洞轴向小角度相交。整体上，莫西隧道勘探范围构造极为复杂，地形艰险。
48.如图8所示，由于洞轴夹角θ＜45
°
，因此测线的方向为垂直于隧洞轴向，测线的数量n为长度4050除以最小埋深100的整数数值为40，40加1为41即为测线数量，测线1、测线2、测线3
……
测线39、测线40之间的间距为100，测线40与测线41之间的间距为150，测线的长度为1000m。
49.获取41条测线剖面电阻率，测试深度450m，如图9所示，图9为测线阵列中测线5的剖面电阻率，反应了剖面上电阻率值的二维分布，仅能显示隧洞与测线5相交断面的电阻率，并不能完全反应勘察范围区域以及隧洞整体的电阻率值，仅测线剖面电阻率难以判译三维地质体结构，为线路方案必须提供依据。
50.根据41条测线位置及其剖面电阻率，联合反演构建三维电阻率，得到如图10所示长度为4050m，宽度1000m，最大高度450m。通过三维电阻率判译地质体空间展布，更为全面的反应勘探范围的围岩条件。
51.基于上述构建的三维电阻率，根据设计需求，可从任意角度提取剖面电阻率，用于勘探范围全方位地质结构判译，图11是基于隧洞中心提取的平切面电阻率，可清晰、全面的反应勘探范围横向电阻率值，也可进一步判译区域地质体结构及围岩条件，相比测线剖面电阻率仅能反应单一剖面电阻率情况，优势极为明显。
52.本发明规范了地空电磁法阵列勘察测线的方向和间距设计，后续勘察设计可按照本发明进行，有利于实现勘探工程的标准化和高效性。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。