随着西部大开发的进行，西部高原地区公路建设越来越多，而对于高原地区的特长深埋隧道的勘察技术要求也越来越高，仅靠传统的地调和钻探工作很难满足特殊条件下的勘察需要，对综合勘探新技术的研究就成为了最近公路隧道勘察的热点和难点．在建的国道317线雀儿山隧道处于川藏公路北线的瓶颈地段，隧道全长7.06 km，垭口处海拔超过5000 m，为世界上海拔最高的特长隧道，隧址区气候条件极其恶劣(积雪时间长)、人际稀少、洞身地形陡峻、交通十分不便，被称之为川藏第一险，隧道次级断裂发育，岩体为花岗岩体，传统勘察方法难以充分查明其地质情况且对构造识别困难，造成仅勘察工作就持续进行8年之久，许多地质问题需要新的勘察手段进行解决．

大地电磁法勘探技术是20世纪50年代初由A.N.Tikhonov和L.Cagnird(Cagniard，1953)分别提出的天然电磁场方法，70年代左右开始，国外就有人将该方法用于石油勘探(Vozoff，1972)，20世纪末在我国物探新技术迅速发展起来，该方法具有工作效率高、不受高阻层屏蔽、对低阻层较敏感、抗干扰性能强、成本较低廉等特点.在100～-1500 m 深度范围内，能查明电阻率差异较大的高、低阻不均匀体，已成功运用在地矿、煤炭、石油、水利、水电系统的具体工程中(曹辉等，2006;王桥等，2012;郭新红等，2013)，在公路勘察方面的运用近年来也取得了不错的效果(孙英勋，2005；赵虎等，2008).

高原地区由于其高海拔、超低温等特点，造成隧道穿越冻土、隐伏断层破碎带、富水地层、含冰地层等诸多不良地质，综合地质情况及其复杂，使大地电磁数据采集与处理时会面临诸多困难，目前国内外为对高原高海拔特长深埋隧道的大地电磁方法的应用研究较少，该方法能否在高海拔的隧道勘察中进行成功运用，也有待验证.本文通过采集方法、地形校正、静态效应、反演方法等关键技术方面对雀儿山隧道的高频电磁测深成果进行分析，证明了该技术在高原高海拔特长深埋隧道中也能取得较好的效果，特别是对断层构造识别上对传统的地质勘察方法有很好的补充效果，对后期地质勘察工作有较大的指导意义，为以后高原高海拔隧道的综合地质勘察工作提供了一种行之有效的方法选择．

大地电磁测深法，是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段.依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构.

它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式，其观测的基本参数为：正交的电场分量(Ex，Ey)和磁场分量(Hx，Hy)的时间序列.然后通过傅立叶变化将时间域的电磁信号变成频谱信号，得到Ex、Ey、Hx、Hy，最后计算出视电阻率(ρ_s)

式中f代表频率．由(1)式可见，只要在地面上能观测到两个正交的水平电磁场(E_x，H_y)就可获得地下的视电阻率ρ_s，也叫卡尼亚电阻率公式．

又根据电磁波的趋肤效应理论，在准静态条件下导出趋肤深度公式为

式中δ代表趋肤深度，ρ代表电阻率，f代表频率．

虽然趋肤深度在某种意义上与电磁波在介质中穿透的深度有关，但它并不代表电磁勘探中实际的有效深度.勘探深度H是一个模糊的概念，根据经验我们将地磁波衰减到50％时的深度称为勘探深度，可以得到勘探深度的经验公式为

该式表明，随着电阻率的减小或频率增大，探测深度变浅；反之，随着电阻率的增大或频率减小，探测深度加深．因此，当大地电阻率一定时，通过对不同频率电磁场强度的测量就可以得到该频率对应深度的地电参数，从而达到测深的目的(汤井田等，2006)．

尽管国内已有多个单位研制成功数字式大地电磁仪，并用于实际生产．但由于电子技术进展缓慢，元器件性能、质量差，加工工艺水平落后，导致目前国产仪器设备过分庞大、笨重，功耗太高，不能完全适应野外工作和大地电磁测深实际生产发展的需要．而仪器设备的改进，需要有一定的环境条件和一定的时间，不可能在短期内实现．因此，目前国内应用主流设备主要是从国外进口的大地电磁测深仪器，为了适应大地电磁高密度、面积性、大数据量采集的需要，现代大地电磁仪器除了保持原有的小型、轻便、多道的优点，还发展了卫星同步测量技术和网络型或分布式组合系统，主要有加拿大Phoenix公司的V5、V6、V8多功能大地电磁系统，美国EMI与Geometrics两家公司联合研制的EH4大地电磁系统，美国的GDP-32、GDP-16型多功能电法仪，德国Metronix公司的MMS系列大地电磁系统．这类仪器是国内开展大地电磁测深工作的重要设备，据不完全统计，这些设备占国内常用设备的80%以上．它们在大地电磁测深实际生产和地学科学研究中已发挥了很好的效应，使我国大地电磁测深在硬件设备方面的条件有了极大的改善(王家映，1997；魏文博，2002；赵国泽等，2007)．

由于本次研究地处高原，最高海拔超过5000 m，气候恶劣(垭口终年积雪)，地质条件复杂，因此需要在众多大地电磁设备中选用一种轻便，采集速度快，且判断二维构造效果较好的设备．在此情况下，选用EH-4电导率成像系统进行数据采集，该系统是由美国EMI与Geometrics两家公司联合研制的专业物探设备，重点解决浅、中深度范围内工程地质等问题的一种双源型电磁系统，主要有以下特点：

(1)采用磁偶源天然场的频率域测深，勘探的深度较大．而人工场源对解决浅部地质问题尤为有用．

(2)以大地电磁测深为基础，有较为成熟的理论基础，，推断解释具有较高的分辨率．

(3)系统设备和工作方法较轻便灵活，适应于山区等复杂地面条件下测量．

(4)它支持张量人工场源的测量，反演X-Y电导率张量成像剖面，对判断二维构造较为有利．

大地电磁勘探中野外采集是非常重要的环节，要想取得比较理想的勘探成果，必须对采集环节充分重视，科学的采集手段是取得精确资料的基础，采集时各装置布设如下：

工作共用四个电极，每两个电极组成一个电偶极子，为了便于对比监视电场信号，其长度都为20 m．与测线方向一致的电偶极子叫做X-Dipole；与测线方向垂直的电偶极子叫做Y-Dipole．由于高原气候的特殊性，为提高接地质量，预先在冻土层中浇入盐水，使电极与土层充分耦合．

磁棒与前置放大器距离应大于5 m，为了消除人文干扰，两个磁棒要埋在地下，其深度至少为5 cm，并使其相互垂直，且水平.所有的工作人员要离开磁棒，相距至少10 m，尽量选择远离房屋、电缆、大树的地方布置磁棒．

电、磁道前置放大器放在测量点上，即两个电偶极子的中心，为了保护电、磁道前置放大器，应首先将其接地，并远离磁棒，与其相距至少10 m．

主机要放置在远离AFE至少20 m 的一个平台上，而且操作员最好能看到AFE和磁棒的位置．

EH4电磁系统野外工作有两种方式：一种是单点测深，另一种是连续剖面测深，选用方式由研究任务确定．采集时通常采用天然场源，在天然场信号很弱或没有信号的频点上，使用人工场源以改进数据质量，提高数据信噪比．该系统可以在0.1 Hz～100 kHz 的宽频范围内采集数据．为确保数据质量与工作实效，上述频带又分成四个频组：

一频组：0．1 Hz～1 kHz；

二频组：10 Hz～1 kHz；

三频组：300 Hz～3 kHz；

四频组：1．5 Hz～99 kHz．

具体观测中使用哪几个频率组，可视情况灵活掌握．在野外能实时获得Hy、Ex、Hx、Ey振幅，以及对应相位，并进行一维反演和二维反演而获得电阻率成像结果．

在开展工作的之前，一定要做平行试验，检测仪器是否工作正常，要求两个磁棒相隔2～3 m，平行放在地面，两个电偶极子也要平行．观测电场、磁场通道的时间序列信号．

对野外采集的时间序列的数据进行预处理后，再现场进行FFT变换，获得电场和磁场虚实分量和相位数据，并现场进行一维BOSTIC反演.在一维反演的基础上，再通过二维反演，绘出二维反演断面图；分析以上图件，划分出异常段；对反演得到的数据，在X Z平面上进行网格化，在X轴和Y轴上，采用各向异性的方法进行半径搜索，从而满足电性各向异性的实际情况．具体数据处理流程见图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 数据处理流程图 Fig. 1 Data processing chart

高原地区的特殊气候条件造成数据采集时主要有以下困难： 1)由于高原地区表面覆盖层多呈冻土及半冻土状态，对电极接地造成很大困难. 2)高原气候变化快，雨多风强，随机干扰较大，尤其是强风的干扰对数据质量会有较大影响． 这就要求我们在野外数据采集时，首先要严格按照HMT施工规范进行操作；采用特殊不极化电极(王辉等，2013)改善接地条件；其次，当遇到随机噪声时，要增加采集的叠加次数，起到叠加平均的作用，从而改善数据质量；当有风等干扰时，尽量将磁探头深埋在土中，并让所有信号传输线平铺在地表．再次，尽量避开干扰源，当存在电干扰时，尽量让磁探头远离干扰源，若测地地质较一致的条件下可以适当平移点位.

在地表或近地表存在局部电性不均匀二、三维地质体，当电磁波波长比不均匀体的几何尺寸大得很多时，不均匀体的表面会形成一种电荷积累效应，而使电场发生畸变，且畸变值与发射频率无关，其突出表现是在Q-f双对数坐标中视电阻率曲线沿视电阻率轴出现一个平行移动，这就是我们常说的静态效应. 如果直接使用其畸变的数据进行反演解释，会使解释结果与实际地质结构差别较大，静态效应一直是大地电磁研究的一个难点.

国内外学者提出了很多有效的方法有曲线平移法(陈清礼等，1999)、阻抗相位法(杨生等，2002)、小波分析法(宋守根等，1995)等，但这些方法由于条件上有所限制，只能在特定情况下使用.

对于静态效应的校正，空间滤波处理是目前广泛采用的一类方法，并起到了较好的应用效果.其主要思想在于，静态效应是一种由局部原因引起的局部效应，放在广大的区域上效应会被有限的平均掉.

20世纪80年代美国学者Bostick提出了与常规大地电磁数据采集和资料处理不同的方法即电磁阵列剖面法(EMAP).由于它沿侧线方向采用首尾相连的测量电偶极排列，故称电磁阵列剖面法.对浅部为层状地质构造的区域，最简单的空间滤波方法是把所有曲线作简单位移，并使它们与近地表的特定频率相拟合.但这样做也有不利的因素，首先是它带有较多的人为因素；第二，对那些非静态效应引起的异常点总是会校正过分或不足；第三，它消去了那些貌似静态效应而又非静态效应引起的异常.

Bostick提出了消除HMT数据中静态效应的电磁阵列剖面法(EMAP).在该方法中，需要采用小极距连续观测电场水平分量，适当的观测磁场水平分量，将计算的卡尼亚电阻率作为二度空间，选择一自适应低通滤波器对其作滤波处理，获得静态校正后的视电阻率.EMAP方法的关键是如何选择合理的自适应滤波器，它具有如下特点：

(1)截止频率与希望滤去的不均匀体的尺寸有关；

(2)滤波窗口面积保持不变，但其宽度随趋肤深度呈正向变化.即当趋肤深度较小时，探测的是浅部电性，此时滤波宽度应窄，使参加滤波的点较少，以保留浅部的地电信息.而当趋肤深度较大时，探测的是较深部电性变化，此时希望消除浅部不均匀电性影响，因而滤波窗口变宽，使得滤波在更广泛的区域内进行，从而消除静态位移.

EMAP方法经理论模型计算和实际资料处理证明是一种较为有效的消除静态效应的方法，它要求较高的数据采样密度，对于需要较高精度的公路隧道勘察中具有比较实用的价值.

大地电磁反演本身是一个非线性问题．各种非线性反演方法，如蒙特卡洛法、遗传算法、模拟退火法、人工神经网络法等，由于计算能力的制约，目前在大地电磁高维反演中还没有得到实际性的应用，而以高斯-牛顿法为基础的线性化技术在大地电磁高维反演实践中依然占据着统治地位，当前主流的二维反演算法有RRI(Smith et al., 1991)、OCCAM(DeGroot-Hedlin and Constable， 1990)、REBOCC( SiripunvarappornW等，1990)、NLCG(Rodi and Mackie， 2001)等．RRI法反演速度很快，但效果一般；OCCAM反演过程稳定，结果可信度高，但速度很慢；REBOCC是OCCAM的变种，虽然提高了OCCAM的反演速度，但是降低了其可靠性；NLCG既有较快的反演速度，又有较好的稳定性和可靠性，是当前世界上应用最多的反演算法．国内有学者专门通过模型对比NLCG和OCCAM的反演结果证明NLCG反演结果优于OCCAM法(叶涛等，2013)．故本次资料处理中二维反演方法采用NLCG算法．非线性共轭梯度反演的算法国内外均有相关文献参考(Newman and Alumbaugh， 2000；翁爱华等，2012)在此就不再一一表述.

雀儿山被称为“山鹰飞不过的山峰”，有“冬过雀儿山，如闯鬼门关”的说法，隧址区位于青藏高原北东边缘的沙鲁里山脉北部山系雀儿山，山体呈北西南东走向，主峰海拔6168 m，隧址区地处主峰北西地域；隧址区内雀儿山山脊有山峰多座，峰顶海拔4984.8～5194.4 m不等．本区以雀儿山山脉为两支水系的分水岭：西侧的色曲河谷为金沙江水系，区内的隆章热沟、隆降沟、多朗降沟等为色曲河谷上游，隧址区内谷底标高4197.1～4352.8 m；东侧的朝曲河谷为雅砻江水系，区内的错柯河属朝曲河上游，隧址区内谷底标高4352.8～4496.0 m．隧址区内山势陡峻，沟谷切割深度最大在1000 m以上，且有现代冰川和古冰川遗迹分布，属高山～极高山冰蚀地貌．隧道通过地层主要有：第四系(Q)和燕山期的花岗岩体(γβ53)．

隧址区位于松潘～甘孜地槽褶皱系的玉树～义敦优地槽褶皱带部位.区内断裂构造发育，以北西西向、北西向、北东向为主，少量近南北向断裂，其中一些规模大，切割深，具深断裂性质，组成构造单元的分界线.

在物探工作前期和工作进程期间，对隧道区域内代表性岩石的电性参数做了直流电测深测试，同时收集该区域地球物理参数统计资料，在正式开展工作之前，为了解工区的电性参数，进行了物探电性参数实测，综合分析得出隧址区电阻率参数，表层块碎石土的电阻率为200～800 Ωm，基岩以燕山期的花岗岩体为主，完整岩体电阻率较高，ρ_s＞20000 Ωm，破碎、软弱或含水岩体与完整岩体有一定的电阻率差异；具体电阻率测试结果见表 1．

表 1(Table 1)

表 1 工区电阻率参数表 Table 1 rock stratum properties of matter statistical table 地 层 岩 性 视电阻率ρs(Ωm) 极破碎、极软弱或富水岩体 ≤1000 破碎、软弱或含水岩体 1000～5000 较破碎岩体 5000～20000 较完整岩体 ≥20000

表 1 工区电阻率参数表 Table 1 rock stratum properties of matter statistical table

从表 1中可以看出，各种岩层的电阻率有一定的差异，而各类正常岩体与断层及构造破碎带的电性参数差异较大，这就为物探外业工作提供了前提并为资料分析提供了解释依据．

根据掌握的该区地质资料和物探工作的技术要求，物探测线沿隧道线路贯通，在地表沿推荐线方案右线隧道轴线布置，点距主要以30 m为主，异常地段适当加密测点．

资料按前述方法进行处理，用相关软件进行反演成图(图 2、3)，再参考地质资料进行解释，具体解释结果如下(成果解译的关注点为隧道设计线附近的地质情况，下文所述一般指隧道位置(设计线附近)的相关情况)．

资料解释中综合一维电磁测深曲线、ρ_s 断面图(电阻率等值线剖面图)以及地质资料，主要考虑电阻率断面图中背景值、低阻异常的形态、低阻异常值及其梯度值等因素，并结合实际地段所对应的地层岩性，对地层分界线、断层及岩体的破碎、软弱及含水情况进行判释．

(1)根据ρ_s值大小，并考虑地层岩性等因素，将低阻异常大致分为Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ三类：

Ⅴ类异常ρ_s值小于1000 Ωm，为极破碎、极软弱或富水岩体；Ⅳ类异常ρ_值1000～5000 Ωm，为破碎、软弱或含水岩体；Ⅲ类异常ρ_值5000～20000 Ωm为较破碎、较软弱岩体；高阻背景值中ρ_值较低的条带状低阻异常则被判释为断层破碎带；而Ⅱ类区域为ρ_值大于20000 Ωm且分布较均匀的高阻区域，对应为较完整岩体．

(2)依据ρ_s断面图上电阻率异常的等值线型态及走向趋势确定异常的边界．

(1)岩性解译

隧道穿越的地层相对较为简单，主要为燕山期的花岗岩体(γβ53)，隧道进出口端有第四系地层分布．

表层深度50 m范围内电阻率较低，ρ_s＜1000 Ωm，为岩体风化的电性表现；中深部电阻率分布零乱，高、低阻团块和条带相互穿插，分布不均匀，表明围岩总体上破碎、软弱、裂隙较为发育，含水性较好．

根据异常划分原则，隧道洞身DK4+600～DK5+000、DK7+820～DK8+080、DK8+420～500、DK11+080～DK11+250、DK11+650～DK12+000等5段电阻率偏低或等值线下凹畸变(图 2、图 3)，为岩体极破碎、极软弱的电性反映，可能对隧道工程产生较为严重的不利影响．电性

(2)构造解译

物探在隧道通过地段共发现具有断裂构造特征的低阻异常带4处(图 2、图 3)，分别编号为Fw1、Fw2、Fw3、Fw4，现分别解释如下：

图 2

Fig. 2

图 2 雀儿山隧道EH4剖面K340+800～K344+700段电阻率分布剖面图 Fig. 2 The resistivity profile of QueErshan tunnel(K340+800～K344+700)

图 3

Fig. 3

图 3 雀儿山隧道EH4剖面K345+100～K348+200段电阻率分布剖面图 Fig. 3 The resistivity profile of QueErshan tunnel(K345+100～K348+200)4)围岩分类

① Fw1: 洞身K344+080～150段电阻率呈自上而下的带状低阻反应，推测为挤压破碎带，电阻率为50～2000 Ωm，根据电性特征判断，倾向进口方向，宽度约70 m，地表及洞身附近位置电阻率较低，ρ_s＜1000 Ωm，推测较为破碎，含水性好，受破碎带影响，周围岩体完整性差，工程地质条件也较差，且附近可能发育有其他小型断层破碎带．

② Fw2、Fw3：在地表DK9+360至隧道洞身DK9+680附近，电阻率变化较大，ρ_s由大于2000 Ωm突变为小于1000 Ωm，推测为受构造影响所致，而洞身K345+880～-+920段电阻率较低且梯度变化大，推测为断层破碎带Fw2；K346+340～+370段电性特征与Fw2较为相似，推测为破碎带Fw3；根据电阻率断面图反应，受Fw2、Fw3影响，洞身K345+800～K346+500段之间电阻率均较低(ρ_s＜1000 Ωm)，推测岩体较为破碎，含水性好，且局部有小断裂或裂隙密集发育，岩体工程地质条件较差．

③ Fw4：根据电性特征反应，Fw4断层在地表的位置为K347+410～+490，洞身位置为K347+320～+500，带内围岩电阻率为500～3000 Ωm，但是洞身位置ρ_s＜1000 Ωm，推测洞身位置岩体完整性差，含水性较好．

对以上4条断层或构造破碎带统计情况见表 2．

表 2(Table 2)

表 2 雀儿山隧道线路断层或构造破碎带统计表 Table 2 Initial interp retation results of Queershan tunnel structure 编号 名称 地表位置 视宽度(m) 简单描述 1 Fw1 K344+080～150 70 高阻背景中低阻带状异常，电阻率为50～2000 Ωm，岩体比较破碎，并可能含水，影响范围较大． 2 Fw2 K345+880～+920 40 电阻率偏低且梯度变化大，ρs =200～5000 Ωm，岩体比较破碎，并可能含水． 3 Fw3 K346+340～+370 30 电阻率偏低且呈条带状、梯度变化大，ρs =200～5000 Ωm，岩体比较破碎，并可能含水． 4 Fw4 K347+320～+500 80 电阻率极低，ρs =500～3000 Ωm，岩体破碎含水，影响范围较大． 5 Fw5 K344+080～150 70 高阻背景中低阻带状异常，电阻率为50～2000 Ωm，岩体比较破碎，并可能含水，影响范围较大．

表 2 雀儿山隧道线路断层或构造破碎带统计表 Table 2 Initial interp retation results of Queershan tunnel structure

(3)含水带解译

隧道穿越地层岩性主要为燕山期花岗岩为主，根据地下水在岩层中的赋存条件及水力特征，可分为第四系松散堆积层孔隙潜水、碎屑岩孔隙裂隙水和岩浆岩基岩裂隙水．从物探成果资料看，并不能对地下水类型进行区分，只能以电阻率来初步判断含水带，供地质人员参考，隧址区主要富水区为断层破碎带，根据电阻率判断，推测的4条破碎带及隧道进出口含水性较好．

根据隧道电阻率剖面图，综合电阻率的变化、岩性、含水性等特征，结合区域地质情况、地质调查、浅部钻孔情况，综合判断出隧道轴线的围岩类别，特别是对隧道工程影响较大的Ⅳ、Ⅴ级围岩，为隧道设计提供参考依据，详见表 3.推测断层破碎带全部划为V级围岩，未编入表中．

表 3(Table 3)

表 3 雀儿山隧道轴线围岩分类表 Table 3 Classification of surrounding rocks around 里程桩号 视电阻率 ρs(Ωm) 围岩类别 K340+800～K341+200 K355+620～700 ＜1000 ＜1000 V K341+200～K342+040 K343+480～K344+620 K345+760～K346+640 K346+900～K347+600 1000～5000 1000～5000 1000～5000 1000～5000 Ⅳ

表 3 雀儿山隧道轴线围岩分类表 Table 3 Classification of surrounding rocks around

(4)地质验证

根据物探解释成果，地质人员重点对物探推测Fw1、 Fw2、 Fw3、 Fw4附近位置进行地面地质调查工作，均有断层的地质反应，与物探推测结果基本吻合，只有局部细节存在差异．

根据物探剖面指导在桩号K346+200处布置一验证钻孔，与物探剖面的低阻反应较为一致，揭露了岩体破碎位置，进一步证实了物探结果的可靠性．

4.1     雀儿山隧道是高原、高寒、高海拔的隧道的典型代表，一个地形起伏大、断裂构造多、地质情况极为复杂的高原深埋特长隧道，物探技术在如此复杂条件下取得了非常好的探测效果，说明该物探技术探测深度大、有较高的分辨率，且设备轻便、测量速度快，是工程勘察、资源勘查、环境调查中一种先进勘探方法．

4.2     天然场大地电磁测深系统由于采用被动场源，很适合于没有人工电磁场干扰的偏远山区或无人居住区等特殊景观条件下的勘探手段．在高原地区的成功运用表明在高原隧道勘察中也值得加以推广应用．