随着社会经济的发展，我国的铁路交通建设得到了极大的改善，特别是在以前铁路建设相对滞后的地区，这些地区多处山区，早期构造活动造成其地形地质条件相当复杂，这对铁路的建设特别是隧道施工带来了诸多挑战.所以，如何有效的查明隧道区的地质结构是铁路施工必须解决的问题.目前在铁路隧道勘察中运用的较多的为地震折射波法(冯太林等，2001;熊昌盛等，2004;曾国等，2009)、地震反射波法(王齐仁和杨天春，2006;李越兴和曹哲明，2007)、直流电测深法、高密度电法(黄绍逵和欧阳玉飞，2009)等.地震折射波法和反射波法可以探测隧道区域第四系覆盖层、风化层厚度、基岩产状，提供岩土体波速等，但是由于结果受地形影响较为明显，而且在地形复杂的地区施工不便，所以在地形复杂隧道区的探测中受到了许多限制;直流电测深法和高密度法目前主要应用在浅埋隧道的勘察中，对于深长埋隧道的勘探能力有限.

近年来，由于可控源音频大地电磁法(CSAMT)具有工作效率高、探测深度大、对低阻异常体灵敏、抗干扰能力强等特点，以及CSAMT法二维及三维正反演理论的长足进步(Zhdanov and Fang, 1996;Portniaguineand Zhdanov, 2002;Hursánand Zhdanov, 2002;底青云等，2004，2008;王若等，2006;林昌洪等，2012)，使得该方法已广泛被应用于矿产资源(于昌明，1998;成江明，2008;王振亮等，2015)、地下水(吴璐苹等，1996;冀显坤等，2014)、岩溶(底青云等，2014)、地热(柳建新等，2014)、公路隧道(孙英勋，2005)等勘察中，并均取得了良好的应用效果.

本文在已有资源勘探特别是铁路公路隧道勘探研究成果的基础上，针对红豆山铁路隧道复杂地形和复杂地质结构双重困难条件，开展了CSAMT法的勘探应用研究.文章首先介绍了CSAMT方法的工作原理及在红豆山隧道的工作方式;研究了复杂地形和复杂结构同时存在情况下的二维反演，并开展了观测的CSAMT原始剖面资料和反演的二维剖面资料以及测区已知地质资料的综合解释研究;获得了剖面隧道深度范围内可能的断层、破碎带和储水带等薄弱地质结构的位置和规模.为隧道安全施工和隧道长期稳定性加固措施提供了地球物理依据.

CSAMT方法勘探的理论基础是麦克斯韦方程组：

TM模式为

CSAMT勘探方法，就是利用观测的E_x和H_y或E_y和H_x场资料，或如通常所做的，由(2) -(3) 式计算的视电阻率资料ρ_s或视相位资料φ_s来进行地质解释.

CSAMT法以谐变电偶极子源作为工作场源，电偶极长度在几百米到几千米，多采用TM模式进行观测.测量点与电偶极平行，并在以电偶极为上底角所张开的60°扇形区域内，收发距大概为4~5倍勘探深度，图 1为CSAMT法的野外工作布置示意图.频率信号范围一般在n×10^-1~n×10³ Hz之间，在设计好的测点上，测量相应频率所对应的电场和磁场，利用卡尼亚公式求取不同频率下的视电阻率值.

图 1

Fig. 1

图 1 CSAMT野外工作布置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of CSAMT field layout

在实际工作中，我们需要根据工作区的地形地质条件，以及需要勘探的深度及精度，选择合适的收发距(r)和供电极距(AB)，发射端可以采用铝箔并联、浇盐水等方式提高供电电流;接收端沿测线方向布设不极化电极，同时通过挖深坑，浇盐水的方式来降低接地电阻.磁探头的摆放方向与测线垂直，朝向发射端.在MN电极对上进行E_x和H_y的观测，测距(MN)通常为几十米，视需要而定.在平面上进行观测时，(MN)的大小可以固定.当存在复杂地形时，由于要得到水平分量E_x和H_y，电极距(MN)需要作校正，这是地形校正的第一步.第二步需要对地形的形态或高度作校正.

红豆山隧道测区属高中山剥蚀地貌，红豆山呈北东向展布，隧道进口位于凤庆县腰街落仙河与天生桥河交汇地带，出口位于云县茂兰镇温崩河左岸坡麓，隧道穿越红豆山北东缘转水山，地形起伏大，沟谷深切.地面高程1180～2331 m, 相对高差1151 m, 自然横坡一般15°～30°，局部达50°.隧道进口仅有小路可入，交通极为困难，隧道出口邻近小温崩村，有乡村公路通祥临二级公路，交通条件便利.红豆山隧道里程为K114+480～K125+140，隧道全长10660 m, 隧道最大埋深990 m.

测区地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带，附近之扬子亚板块、印支亚板块、滇缅泰亚板块三大亚板块以红河断裂带和澜沧江深大断裂为分界，测区位于澜沧江深大断裂西部，地处印支亚板块兰坪-思茅拗陷.

区内地质构造复杂，褶皱较多，活动断裂及深大断裂发育.区内主要的断裂有澜沧江断裂带、南汀河断裂带等深大活动断裂构成.

区域内的新构造运动，一般表现为强烈的垂直差异运动和断块的侧向滑移，及以近南北向断裂左旋位移和北西向右旋位移为代表的断裂活动.具有继承性和新生性，时间上具有阶段性，空间上具有差异性、掀斜性.新构造以上升为主，上升速率一般在2～8 mm/a.

测区上覆第四系全新统人工填筑土(Q₄^ml)粉质黏土，坡崩积(Q₄^dl+col)碎石土，坡洪积(Q₄^dl+pl)粉质黏土，冲洪积(Q₄^al+pl)粉质黏土、砂层、卵石土，坡残积(Q₄^dl+el)粉质黏土等;下伏基岩为三叠系中上统(T_2-3)变质砂岩、板岩、片岩，印支期(γ₅¹)黑云母花岗岩.

人工填筑土(Q₄^ml)：灰、棕黄等杂色，由粉质黏土、碎石土等组成，稍密～中密，稍湿，局部潮湿.分布于既有祥临公路路基范围内，隧道出口乡村道路分布施工堆积弃土，厚0～6 m.

碎石土(Q₄^dl+col)：灰黄色，稍密.碎石呈尖棱状，主要为变质砂岩、片岩，粒径60～100 mm, 坡面局部为块石，最大粒径达1 m, 粉质黏土充填.

粉质黏土(Q₄^dl+el)：紫灰、灰黄色，硬塑.含10%~30%板岩、变质砂岩质角砾，粒径2～10 mm, 偶夹碎石.层厚0～3 m, 零星分布于基岩出露地段，低缓坡麓地带厚2~10 m.

断层角砾(F_br)：浅灰、棕黄色，中密～密实状.压碎结构.角砾成分为变质砂岩、板岩、片岩，粒径2～60 mm不等，局部夹块石，块石粒径达700 mm.分布于关口断裂破碎带内，为断层挤压破碎形成，局部具糜棱化及片理化.

变质砂岩、板岩、片岩(T_2-3)：灰黄、青灰、灰绿色，板状及片状构造，变晶结构.含石英脉，偶夹薄层状片岩软弱夹层，节理裂隙较发育，岩体较破碎.

印支期(γ₅¹)黑云母花岗岩：为浅灰、灰白色，夹黑色斑点，块状构造，中~粗粒结构.其矿物组成中石英含量偏低，长石、黑云母含量偏高，且结晶颗粒较粗大，导致其强度较其它地区花岗岩偏低，节理裂隙较发育.

CSAMT法是以电阻率的差异来区分岩性及构造体，根据电阻率值的大小以及在地下的展布形式来识别地下地质体的空间分布和性质.影响电阻率的主要因素有矿物成分、岩石的结构、构造及含水情况等.对测区的岩(矿)石进行了视电阻率测试，测试标本从DZ-HDS-08号钻孔岩芯采集(图 2)，测试结果见表格1.

图 2

Fig. 2

图 2 DZ-HDS-08钻孔岩芯 Fig. 2 The core of DZ-HDS-08

由表 1可知，较完整岩体与岩溶发育、破碎及软弱岩体之间存在一定的电性差异，因此工区具备开展CSAMT法的地球物理勘探前提条件.

表 1 (Table 1)

表 1 岩矿石标本视电阻率测定结果统计表 Table 1 Statistical table of apparent resistivity of rock samples 地层岩性 视电阻率ρs(Ω·m) 极破碎、极软弱或富水岩体 ≤175 破碎、软弱或含水岩体 175～400 较破碎岩体 400～1500 断层破碎带 100～1500 较完整岩体 ≥1500

表 1 岩矿石标本视电阻率测定结果统计表 Table 1 Statistical table of apparent resistivity of rock samples

根据工区的地质与地球物理条件，结合探测深度及探测精度，选择供电电极距AB长度为2 km, 收发距r为10 km, 接收电极距MN为20 m.选择频率范围为1~7680 Hz, 共24个频点，设AB方向为x方向，垂直于AB方向为y方向，测量x方向电场分量E_x和y方向磁场分量H_y.为保证数据质量，采取了如下技术措施：

(1) 在采集工作开展之前，选择了两套仪器，每套仪器测量6个电道(E_x)和一个磁道(H_y)，并对每套仪器进行野外标定，确保了仪器的各项性能正常.

(2) 尽量改善AB电极的接地条件，尽量加大发射电流，增强接收信号，提高信噪比.

(3) 严格监控数据质量，并在布设不极化电极的时候前后仪器重复一道，设置质量检查点，实时对比共同道的数据质量.

为了保证观测数据的质量开展了原始数据的质量研究，分别选取了视电阻率整体上表现为低阻的k120+590以及表现为高阻的k122+130说明，从图 3，4可以看到，k120+590处的视电阻率的数量级在10¹~10²，整体呈现低阻;k122+130处电阻率的数量级在10³~10⁴，整体呈现高阻，这和图 10中相应位置的反演结果是相对应的.图 4和图 5分别是k120+590、k122+130质量检查点对比曲线，由于是不同仪器在相同点处测量，所以要尽量保证除仪器之外的因素一致，才能得到可信的对比数据.结果显示除个别点有差异外，整体上表现非常一致，说明原始数据是可靠的，可以进行下一步的工作.

图 3

Fig. 3

图 3 典型低阻原始数据曲线(测点K120+590) Fig. 3 The typical low resistivity curve of the original dataatpoint K120+590

图 4

Fig. 4

图 4 典型高阻原始数据曲线(测点K122+130) Fig. 4 The typical high resistivity curve of the original dataat point K122+130

图 5

Fig. 5

图 5 K120+590处质量检查点对比曲线 Fig. 5 The contrast curve of quality check at point K120+590

图 6

Fig. 6

图 6 K122+130质量检查点对比曲线 Fig. 6 The contrast curve of quality check at point K122+130

为了进一步改善地质解释前原始数据的质量，开展了对采集数据中人文干扰和近地表浅部电性不均匀结构对观测数据的影响研究.为此我们使用可视化软件进行跳点剔除;然后利用空间滤波器法以消除近地表电性不均匀所引起的静态效应，进而再对电阻率进行一维和带地形的二维反演，以获得勘探深度范围内，特别是隧道深度范围内的电阻率结构分布.

当测区近地表的电性结构横向不均匀性较大时，很容易产生静态效应.如何消除静态效应是我们在数据处理中必须要考虑的问题(Sternberg et al.，1988;陈辉等，2007;Cumming and Mackie, 2010).本次处理过程中，采用空间五点滤波的方式消除其影响.

五点滤波函数，滤波电阻率值为

图 7是红豆山隧道CSAMT视电阻率拟断面图，从横向上看，出现了挂面条的现象，表明视电阻受到静态效应的影响比较严重.如果用未经静态校正的数据进行电阻率反演，会得到如图 8所示的结果，可以看出由于受到地表结构横向不均匀性的影响，电阻率跳跃较大，这是浅层不均匀体产生的畸变场的反映，对资料解释造成严重干扰;经过静校正之后，电阻率的变化趋于平缓，更加接近真实的电性结构，如图 9所示.表明五点滤波器虽然简单，但它克服静态效应的效果是很好的.

图 7

Fig. 7

图 7 红豆山隧道视电阻率拟断面图 Fig. 7 Original data quasi section of Hongdoushan tunnel

图 8

Fig. 8

图 8 未做静校正的电阻率反演断面图 Fig. 8 Resistivity section map without static correction

图 9

Fig. 9

图 9 静校正之后的电阻率反演断面图 Fig. 9 resistivity section map after static correction

一维反演是一种线性迭代法(王若和王妙月，2003)，在反演的过程中，假设地下是水平层状介质，根据各层的理论电阻率值与测量值，进行线性迭代，直至满足所需精度为止.通过一维反演结果，可以快速直观的了解地下整体地电结构.由于它仅限于简单的水平层状模型，因此还需要作复杂地形的高程和形态校正，这也是很麻烦的.更重要的是对于带地形的复杂的二维或三维模型，往往不能得到合理的结果.鉴于此，我们直接开展了带地形的电阻率二维反演.

正演是反演的基础，目前用于CSAMT二维正演的方法主要有有限元法(Mitsuhata, 2000;底青云等，2004)和有限差分法(Stoyerand Greenfield, 1976)等.此次研究采用的是有限元方法来模拟地球物理模型，归结起来就是求解赫姆霍兹微分方程的边值问题，首先建立与微分方程等价的泛函表达式，把微分方程的求解变为泛函的极值问题，然后对区间进行剖分，在对各单元求和，这样就把连续函数的泛函离散成节点上的函数值泛函.根据泛函取极值的条件，得出各节点的函数值应满足的线性代数方程组，解这个方程组，便得到各节点上的函数值.

开始反演时首先利用一维圆滑反演结果作为背景电阻率，在反演过程中通过迭代，调节模型单元的电阻率，使计算的电阻率和相位尽可能的接近观测数据，并符合背景模型的约束和光滑度的约束.并且在反演的过程中，可以将地形或者钻孔资料加入到初始模型中，得到更加真实的反演断面结果.反演结果如图 10所示，横向指示线代表洞深，纵向指示线代表推测破碎带边界.

图 10

Fig. 10

图 10 带地形二维反演电阻率断面图 Fig. 10 resistivity section of 2D inversion with terrain

在对电阻率断面图进行解释时，我们既要考虑电阻率的大小指示的地球物理意义，也要考虑到工区的地质构造背景.根据已知的地质资料，隧道主要构造位于经向构造体系内，主要纬向构造体系东西向褶皱和东西向强烈破碎混合岩组成，在区内116+500附近与关口断层大角度交汇，断层两盘均为三叠系中上统(T_2-3)变质岩.断裂带出现片理化、糜棱岩化和构造角砾，擦痕面发育，属左移型压扭性断裂.

从横向上看，进口处主要以中低阻为主，中间偶尔穿插小型高阻团块;隧道中部以中高阻为主，中间有两处条带状低阻区域;在接近出口处，电阻率值有所增加，出现两处高阻块体.纵向上看，电阻分布比较杂乱，近地表以低阻为主，随着深度的增加，出现中高电阻率条带的相互穿插.

1 )在距离地表 20~30 m范围内，电阻率小于125 Ω·m, 呈层状，而且在横向上厚度不均匀分布，对应的是第四系全新统的覆盖层及风化堆积物.

2) 114480~117790段，隧道的电阻率变化均匀且相对较低，在洞深上部零星分布着几个高阻的体块，推断在这一区域主要以三叠系上统变质砂岩与片岩为主.在116400~116500和117620~840段，电阻率呈条带状分布，说明整体上该段的岩层比较破碎，极有可能是关口断层的作用，由于应力作用和岩体破碎的原因，整体富水性较强.

3 )118000~121500地段，电阻率值相对较低，在洞深上部有几处高阻体，推断区域主要分布电阻率值较低的板岩或者片岩;在118000~118300段，有明显的电阻率梯度变化，推断在118000附近存在断层;118300~121500段，电阻率分布不均匀，在洞深的上部，有两处电阻率变化梯度带，推断存在断层或者岩溶，并且在下部，有明显的低电阻率的电性反映，更加说明此段可能是断层作用所产生的溶蚀带.

4) 121500~125140地段，整体电阻率偏高，特别是在121500~12400段，但是中间也有中低电阻的条带状分布，说明此处围岩破碎严重，节理裂隙较发育，推断以黑云母花岗岩为主;在124000~125140段，中低电阻为主，且在横向上存在电阻率的梯度变化，说明在此段有可能是断层破碎带的异常反应.

6.1 CSAMT法由于其具有工作效率高、探测深度大、对低阻异常体灵敏、抗干扰能力强等特点而被广泛应用到探明地下结构当中.对于隧道的勘测，应用CSAMT方法可以从整体上查明地下地质构造和赋水性，为施工提供地球物理依据.

6.2 通过本次红豆山隧道的CSAMT探测结果可知，CSAMT法对于地形和地下地质结构双复杂的隧道探测仍能对隧道深度范围内的地质体有良好的电性反应.这是因为我们对工区内各种干扰因素采取了有效压制措施，提高了信噪比，并在后期数据处理中采用压制干扰的滤波措施和正确可靠的带地形的反演方法，它在压制地形影响方面比一维反演方法有优越性，在红豆山隧道探测中取得了良好的效果.

6.3 根据所得到的电阻率断面图，我们对隧道的断层、破碎带、赋水带及岩性进行了解释，在这些区域要进行必要的施工防护和采取长期稳定性措施，为安全施工和长期安全运行提供保障.

6.4 当然，此次解释的结果只是基于电阻率特征和地表地质资料，希望能有深部钻孔资料加以验证，促进工程地质和地球物理的深入融合，更好地满足实际施工需要.

致 谢 感谢王显祥博士在此次工作中给予的指导及建议;感谢中铁二院昆明公司在工作中给予的帮助.