地质超前探测技术是一个国际前沿课题，准确预报隧道地质病害也是一个世界难题。随着铁路建设的发展，规模较大的隧道数量越来越多，且隧道在施工过程中经常伴随着塌陷、突泥、涌水等地质灾害的发生，因此探明隧道前方隐藏的地质灾害至关重要。国内外有关隧道地质超前预报技术研究应用已有40多年，但是预报的准确性和可靠性与隧道工程施工的要求相差甚远。在早期阶段，地质超前预报主要是采用超前导洞、超前钻探方法勘探掌子面前方的地质情况，由于经济和效率的问题，目前逐步青睐无损地球物理超前探测技术。无损隧道超前预报技术目前以各种反射地震技术为主，地质雷达为辅，直流电阻率法、瞬变电磁法、激发极化法以及核磁共振等方法均处于研究试验阶段。负视速度法、水平剖面法（HSP）、隧道地震波法（TSP）、隧道地震波反射层析成像技术（TRT）、隧道散射地震成像技术（TST）以及陆地声纳等预报技术均属于反射地震预报技术，反射地震的预报距离可在100 m以上，目前这些方法在隧道预报中发挥了作用。但是，基于波阻抗差异的地震反射波法无法反映复杂多反射界面含砂岩裂隙水地质结构的信息；基于10 MHz—3 GHz电磁波反射原理的地质雷达对含水构造敏感，但预报距离较短，一般在20—30 m以内，而且高频电磁波传播的全方向性，使之不能给出目标体的方位角，即无法定向异常体；直流电阻率电法和激发极化法均可反映含水构造，但探测距离与收发距有关，供电极不可能布置在隧道掌子面前方，探测深度不超过10 m；写入国家行业标准规范的瞬变电磁法是采煤巷道超前预报突水的主要有效方法之一，但其收发天线的互感影响了探测效果。常规的隧道内部超前地质预报方法无法有效探测隧道上方大规模的地质异常体。

音频大地电磁（AMT）法简单的说就是，测量天然大地电场和磁场强度来研究地下地质构造的方法。该方法具有施工方便、探测深度大、不受高阻层屏蔽及对隧道施工重点关注的低阻异常灵敏度高等优点。若隧道周围地质异常体达到一定规模，将对隧道产生较大压力，使之在施工掘进过程中发生坍塌、涌水、涌泥等，进而造成人员伤亡和巨大的经济损失，而使用AMT法可有效探测可能产生地质灾害的异常体的空间分布形态，比如含水破碎带。文中以和邢铁路天河山隧道超前探测为例，介绍AMT测深在隧道探测中的应用。

和邢铁路西起山西省和顺县和顺站，东至河北省邢台市小康庄站，与京广铁路、邯（邢）黄铁路、阳涉铁路交会，完善区域路网格局，增强区域路网运输组织的灵活性，成为山西中南部便捷的出海通道，对沿线地方经济发展具有重要意义。在建和邢铁路全长129 km，该线路主要穿行于太行山区，山岭海拔较高、地形地貌险峻、地质构造复杂，全线有21座隧道，其中天河山隧道和路罗隧道是2座深埋长大高风险隧道，长度分别为11 695 m和11 700 m，是和邢铁路控制性工程。特别是天河山隧道，受太行大断裂的影响强烈，隧道洞身发育一系列NW向、近NS向和NE向断裂等多期构造和节理密集带，洞身穿过震旦系下统砂岩地层，由于砂岩地层构造发育，地下水在构造带处上下连通，设计日最大涌水量达72 000 m³，天河山1号斜井在未到达正线前，日涌水量已达16 000 m³，造成施工进度缓慢。邢汾高速公路天河山隧道与和邢铁路天河山隧道并行相邻，工程地质情况相似，其最大日涌水量达50 000 m³，累积涌水量达2 000万m³（相当于一个中型水库的规模），在施工过程中曾发生大规模透水事故，造成工期延误一年半。由此推断，和邢铁路天河山隧道所穿越岩体破碎，施工时易引发坍塌和涌水，因此准确预报断层的位置、规模和富水情况，为隧道施工提供水文地质预报信息，确保施工安全和进度，降低工程造价，减少施工的盲目性和消除工程安全隐患尤为重要。

天河山隧道线路近EW走向穿越太行山山脉，并于铁路里程DK43+090前后穿越太行山山脊，西侧为山西省，东侧为河北省。山西侧整体地势较高，且东高西低，一般山势较陡，沟谷较平缓；山脊往河北侧山体受构造影响强烈，地势陡降200—600 m，地形落差大，山峰林立，沟谷密布，且为陡峻山体和狭长沟谷。太行山山体地层自上而下依次为：第四系全新统冲洪积粗角砾土和碎石土，第四系上更新统坡、洪积粉质黏土、细角砾土和粗角砾土，寒武系上统页岩石灰岩互层，寒武系中统页岩石灰岩互层，寒武系下统页岩石灰岩互层，震旦系下统串岭沟组砂岩和常州沟组砂岩。

根据前期勘察资料可知，天河山隧道穿越地层主要为第四系上更新统坡洪积粉质黏土、细角砾土及粗角砾土，震旦系下统串岭沟组砂岩和常州沟组砂岩。其岩性特征详述如下：①粉质黏土（Q₃^pl+dl1）：主要分布于隧道进口段山坡地表，厚3—20 m，褐黄色，硬塑，土质不均匀，夹含角砾，Ⅱ级普通土；②细角砾土（Q₃^pl+dl6）：局部夹含于粉质黏土中，厚度约4 m，灰褐色，稍密，稍湿，颗粒成分为石灰岩和石英砂岩，成棱角状，粒径5—10 mm的约占30%，10—20 mm的约占45%，＞20 mm的约占15%，余为砂粒和黏粒粉粒，Ⅱ级普通土；③粗角砾土（Q₃^pl+dl7）：分布在山坡下部，黄褐色，潮湿，中密，成分以石英砂岩为主，次为石灰岩，呈尖棱状，粒径20—40 mm的约占40%，40—60 mm的约占25%，＞60 mm的约占15%，余为砂粒和粉粒黏粒，Ⅲ级硬土；④砂岩（Z_1ch^Ss、Z_1c^Ss）：灰黄色、灰白色、灰紫色，不同时段岩质成分差别较大，多为硅质和钙质胶结，部分含泥质，岩体有泥痕和泥裂，岩质坚硬，细粒—中粗粒结构，薄层—厚层状构造，节理较发育，Ⅴ级次坚石。

就构造而言，天河山隧道穿越区域为单斜构造，总体上位于以太古界地层为核部、两翼分别向NW和SE延伸的大背斜西北侧翼部。所穿越山体受多期构造强烈影响，发育一系列NW向、近NS向和NE向断裂和节理密集带，造成多处岩体破碎，施工时易引发坍塌和涌水，对隧道影响较大。因此，由天河山隧道穿越区域的地层和构造分布可知，该区浅部主要覆盖第四系粉质黏土和细、粗角砾土，含水情况下电阻率较低，通常为几至几十Ω·m；而深部主要为新元古代砂岩，由于成岩年代早，一般孔隙度较小，且多为硅质和钙质胶结，电阻率一般较高。但由于该区临近太行山大断裂，经历了前寒武纪华北克拉通东部和西部地块的碰撞拼合、中生代太平洋板块俯冲与回撤等多期次重要构造事件的影响（Zhao et al，2012），深部的新元古代砂岩中断裂和节理发育。而水文地质研究表明，在该区的断裂和节理中可能出现集中的稳定涌水，且山脊东侧山体陡降，沟谷密布，构造发育程度相对较强，岩体较破碎，水量较大。深部岩体在致密的情况下，电阻率较高，但若赋存断裂和节理，则可能被水、软泥等填充，表现为明显的低阻异常，可被AMT法有效探测。

大地电磁测深法在时间域观测天然电磁波场信号，经傅里叶变换等处理手段变换到频率域，获得不同频率成分的电磁场分量信号，计算阻抗张量，并最终获得视电阻率和阻抗相位与频率的对应关系（Cagniard，1953）。根据不同频率电磁波穿透的深度不同，可以获得深达上地幔的电阻率分布（Chave et al，2012）。音频大地电磁测深法采集由全球雷电活动引起的高频天然场信号，研究浅表至地下2 km深度范围内电阻率的分布，可解决一些矿产资源、工程、环境等方面的问题（余年等，2017；黄日华等，2017；罗术等，2018；王品丰等，2018；杨小龙等，2019；刘波等，2021）。以往在公路与铁路隧道的超前探测中，常用音频大地电磁测深仪器设备为Geometrics公司生产的EH-4连续电导率剖面仪，但其不能实现卫星同步采集，后期数据处理手段有限，导致数据处理质量差，仪器一致性差、重复性差。因此，采用加拿大凤凰公司生产的MTU-5A型仪器进行数据采集工作。由于地形条件复杂，岩体分布和节理二维特性较差，而多条剖面可有效探测地质异常体的空间规模，因此布设Line1、Line2、Line3三条音频大地电磁测深平行剖面，具体点位分布见图 1。

图 1(Fig.1)

图 1 和邢铁路天河山隧道音频大地电磁测深超前探测测点分布（THSF：天河山断裂） Fig.1 Distribution of advanced detection points of audio-magnetotelluric sounding in Heshun-Xingtai railway

取N、E方向分别为x、y轴正方向，每个测点采集E_x、E_y和H_x、H_y两对相互正交的电磁场分量。每个测点采集30—60 min的数据以实现尽量多次的信号叠加。为了提高数据质量，2套仪器卫星同步采集，进行互为远参考道处理（Gamble et al，1979）。重要的是，有些铁路隧道穿越点存在高压线等明显的电磁场干扰，用卫星同步采集可实现以“安静”测点的磁场信号作为参考道甚至直接作为磁场道进行处理，能有效解决使用EH-4仪器无法解决的磁场干扰问题。

以测点2-1900、3-1450为例，给出和邢铁路天河山隧道音频大地电磁响应曲线，见图 2，图中红色、蓝色线分别表示TE和TM模式。一些干扰较大的频点予以删除，避免影响反应模型的可靠性。由于野外数据采集和室内数据处理手段得当，总体数据质量较优。

图 2(Fig.2)

图 2 和邢铁路天河山隧道音频大地电磁测深响应曲线 Fig.2 Response curves of the audio-magnetotelluric sounding of the Tianheshan tunnel of Heshun-Xingtai railway

在对数据进行反演前，采用G-B分解算法（Groom and Bailey, 1989）对实测阻抗张量进行分解，得到4个频段各测点电性主轴的统计玫瑰图（图 3）。每个测点的阻抗张量分解可获得2个相互正交的电性主轴角，其中一个为构造走向方向，使用张量阻抗分解判断构造走向具有90°的不确定性，结合地质资料或大地电磁测深的磁感应矢量（Parkinson，1959）即可解决该不确定性。由于该区区域构造走向大体呈NE向，结合阻抗张量分解结果，可知图 3中黑色玫瑰瓣指示方向即为构造走向，在10 000—1 000 Hz、100—10 Hz和10—1 Hz频段，构造走向大体表现为明显的NE45°—60°，但在1 000—10 Hz频段，构造走向为NE30°—50°。这些构造走向可能受西侧区域大断裂太行山断裂所控制。因此，将实测阻抗张量进行NE45°的旋转，旋转后xy和yx模式则转换为TE和TM模式。

图 3(Fig.3)

图 3 天河山隧道音频大地电磁测深张量阻抗分解玫瑰图 Fig.3 Audio-magnetotelluric sounding tensor impedance decomposition rose diagram in Tianheshan tunnel

确定构造走向，并将实测张量阻抗旋转到构造走向上，采用集成在WinGLink软件中的非线性共轭梯度法（Nonlinear Conjugate Grandients，简称NLCG）（Rodi and Mackie, 2001）对实测数据进行带地形的二维反演。对测点覆盖区域按25 m的列宽度进行剖分，两端各加15个宽度以1.5倍步长递增的网格，逼近无穷远条件，在深度方向上浅层厚度为10 m，用来拟合地形起伏，深部网格厚度以1.1倍步长递增，直至剖分深度大于20 km。为了更好地约束电阻率模型进行TE + TM模式的反演，视电阻率和相位的误差基数分别设为10%和5%。非线性共轭梯度反演中另一个重要的参数是正则化因子τ，用来平衡模型光滑度和数据拟合程度。对τ值进行一系列测试，最终设定为τ =10，可以兼顾数据拟合和模型光滑度（图 4）。从100 Ω·m的均匀半空间初始模型开始，对频率范围10 00—3 Hz的数据分别经过134、151和119次迭代，最终Line1、Line2和Line3剖面的反演均方根误差分别为2.83、2.36和2.92。图 5所示即为实测数据和反演模型响应的拟断面图，空白区域为被删除的频点，由于整体数据质量优秀，除个别测点因地形条件太差而删除了TM模式数据外，被删除的频点整体较少。由图 5可见，模型响应拟断面图与对应实测数据基本一致，表明拟合情况良好，反演获得的电阻率模型可靠。

图 4(Fig.4)

图 4 Line2剖面不同正则化因子反演得到模型粗糙程度与拟合误差曲线 Fig.4 The curve of model roughness and fitting error obtained by inversion for the Line2 profile with different regularization factors

图 5(Fig.5)

图 5 天河山隧道音频大地电磁测深实测数据与模型响应拟断面 Fig.5 Pseudo-section of measured data and model response of audio-magnetotelluric sounding in Tianheshan tunnel

将3条音频大地电磁测深剖面进行二维反演，获得的电阻率模型见图 6，可见在电性结构上，3个电阻率模型一致性较好。总体而言，电阻率随着深度的增加而变大。

图 6(Fig.6)

图 6 天河山隧道音频大地电磁测深二维反演电阻率模型与推断解释图 Fig.6 Two-dimensional inversion resistivity model and inferred interpretation map of audio-magnetotelluric sounding in the Tianheshan tunnel

由图 6可见，电阻率模型右侧浅部为一个层厚约10 m、电阻率约30 Ω·m的低阻薄层，推断为第四系覆盖层，但左侧浅部电阻率值略高，且无连续的层状低阻；深部为几百至上千Ω·m的高阻，其中剖面中部电阻率值最高，普遍大于1 000 Ω·m。两侧电阻率值略低，尤其在Line3剖面上，剖面右段电阻率值约为300 Ω·m。Line1剖面电阻率值总体较Line2、Line3剖面高，其中Line3剖面的电阻率值最低。从横向上来看，3条剖面地形西高东低，浅表电阻率也表现出相应的西高东低的特征。在深部，整体高阻被2组低阻异常（C₁、C₂）所分隔，其中：西侧的低阻异常（C₁）整体西倾（左侧白色虚线框），从Line1至Line3，其电阻率逐渐降低，范围逐渐扩大，高导体C1的宽度约为150 m，但考虑到电磁感应的体积效应，推测其实际宽度约100 m；另一组低阻异常（C₂）产状近直立（右侧白色虚线框），与西侧低阻异常相反，从Line1至Line3，其电阻率逐渐升高，范围逐渐变小。下面将结合区域地质资料对电阻率模型进行解释。

根据区域地质资料，该区浅部覆盖的主要是第四系的粉质黏土和细、粗角砾土，含水情况下电阻率较低，覆盖层中的黏土具有较低的电阻率，可低至几至几十Ω·m；而深部的砂岩形成于新元古代，成岩年代早，孔隙度小，且多为硅质和钙质胶结，一般表现为高电阻率特征。该区临近西侧太行山大断裂，导致研究区构造发育。结合这些地质资料，并与地表地层、钻孔信息相对应，认为剖面东段浅部约10 m厚、电阻率值约30 Ω·m的低阻薄层为第四系沉积物，而剖面西段浅部电阻率较高，即便有低阻区域，也不是一个连续的层状，且多分布于地势低洼处，因此推断剖面西段浅部低阻为出露的新元古代砂岩经过风化剥蚀，并在低洼处堆积的电阻率反映。深部高电阻率区域则为致密的新元古代砂岩的电阻率反映，如Line1、Line2和Line3的中部以及Line1的东段深部，均表现为大于1 000 Ω·m的高电阻率异常，表明这些区域均为致密砂岩，断裂构造和节理不发育。但Line2和Line3剖面东段电阻率值约为300 Ω·m，相对较低，推断为可能有小规模节理发育的砂岩。产状近直立的低阻异常，在3条剖面上均有反映，而且从北至南规模扩大，电阻率变低，解释为破碎带，由于地势低洼，内部填充了水、黏土等，导致电阻率明显较砂岩围岩低。西侧向西倾斜的低阻异常接近研究区西侧的太行山断裂带，且其倾向向西。整个华北克拉通在大约1 800 Ma前由东部地块和西部地块沿华北中央造山带（现今的吕梁山、山西地堑和太行山）碰撞拼合而成（Zhao and Cawood, 2012），而后经历了太平洋板块俯冲和后撤的改造（Huang and Zhao, 2006），在华北东部地块和中央造山带形成一系列NE走向、向西倾斜的断裂构造。据此，推断西侧向西倾斜的低阻异常可能为与太行山断裂相关的次级构造或破碎带。在隧道掘进过程中，在该异常处发现70 m宽的破碎带，大量软泥、水外泄，给施工造成困难（图 7）。该低阻异常体上方则为相对高阻区域，但浅部电阻率较低，推断为经历了风化作用的新元古代砂岩。

图 7(Fig.7)

图 7 天河山隧道涌水、涌泥图 Fig.7 Pictures of water and mud gushing in the Tianheshan tunnel

在和邢铁路天河山隧道中线位置布置了3条EW向的音频大地电磁测深平行剖面，对数据进行精细处理和二维反演，获得3个相应的电阻率模型。

电阻率模型东段浅部的低阻薄层，解释为第四系沉积物，西段浅部不连续且与低地形相一致的低阻薄层解释为新元古代砂岩经风化剥蚀后的堆积物。剖面中部电阻率大于1 000 Ω·m的高阻区域解释为致密的新元古代砂岩，而Line2和Line3东段深部电阻率值约为300 Ω·m的区域，解释为可能存在节理的砂岩。东侧近直立低阻异常区域，解释为被黏土、水等填充的破碎带，而西侧向西倾斜的低阻异常区域，解释为与区域大断裂相关的次级构造或破碎带。隧道掘进过程中，在西侧低阻异常区域发现宽度约为70 m的破碎带，被大量软泥和水填充，证明了反演结果的可靠性。

在隧道超前探测中，利用音频大地电磁测深法可以有效探测隧道周围地质异常体的空间规模，以及地质异常体与开挖隧道的接触关系，指导施工，表明该方法是一种行之有效的勘探方法。