高密度電法在隧道勘察土石劃分中的應(yīng)用研究

劉巖波，周　韜，李九泉

（河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，河南鄭州450009）

高密度電法在隧道勘察土石劃分中的應(yīng)用研究

劉巖波*，周韜，李九泉

（河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，河南鄭州450009）

高密度電法被廣泛應(yīng)用于工程勘察領(lǐng)域，雖然勘探深度不大，但是該方法受干擾小，勘探精度高，在路基勘察、隧道勘察、煤田采空探測中廣泛應(yīng)用。高密度電法探測土石分界面是利用兩種不同介質(zhì)的導(dǎo)電性差異，結(jié)合地表已知出露情況，根據(jù)視電阻率的變化形態(tài)，推斷界面的起伏變化。根據(jù)物探推斷土石分界面埋深及形態(tài)，結(jié)合后期鉆探資料，合理指導(dǎo)隧道工程施工。

高密度電法；土石分界面；隧道勘察

1　概述

高密度電阻率法是一種在方法技術(shù)上有較大進(jìn)步的電阻率法，就其原理而言它與常規(guī)電阻率法完全相同[1]。該方法是集電測深法與電剖面法于一體的直流電法勘探方法[2]，采用陣列式方式觀測，多電極高密度一次性布極并實(shí)現(xiàn)跑極和數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，穩(wěn)定性提高的前提下相對常規(guī)電阻率更為高效。高密度的反演目前工程應(yīng)用中主要是二維反演，商用軟件也比較多，目前使用最廣泛的商業(yè)軟件主要有Res2DINV和Res3DINV系列軟件，AGI公司的Earthimage2D、Earthimage 3D系列軟件等[3]。高密度電法有多種工作裝置，工程中經(jīng)常用到四極裝置：α裝置(溫納裝置AMNB)、β裝置(偶極裝置ABMN)和γ裝置(微分裝置AMBN)，施倫貝爾裝置；三極裝置：AMN、MNB。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

高密度電法在公路、鐵路隧道施工中廣泛應(yīng)用，是一種簡單、高效、實(shí)用的物探方法。山西長治某地區(qū)某高速路段隧道施工過程中穿過山體與土石界面，為查明巖體與松散層分交界面以及斷層、巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，采用高密度電法手段對隧道施工段進(jìn)行探測。工作區(qū)內(nèi)出露地層主要有：第四系粘質(zhì)黃土、粉質(zhì)粘土、泥巖、砂巖及奧陶系灰?guī)r。

2.2數(shù)據(jù)采集

工作裝置的選擇一般取決于施工場地開闊程度、地形起伏、探測任務(wù)及探測精度要求等諸多因素。結(jié)合本次探測工作區(qū)情況可知場地條件良好，勘探深度小于100m，可采用α裝置施工，每個(gè)排列60電極，點(diǎn)距10m，結(jié)合探測深度選取隔離系數(shù)n=12。見圖1。

圖1　α裝置示意圖

2.3數(shù)據(jù)處理

野外采集過程中難免有各種不同因素造成的干擾，在正確的認(rèn)識(shí)干擾原因的情況下，盡量消除干擾，優(yōu)化數(shù)據(jù)。外業(yè)采集時(shí)難免有一些畸變數(shù)據(jù)，主要是因?yàn)殡姌O接地條件造成，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為與相鄰測點(diǎn)比較呈突變型，畸變點(diǎn)需剔除。剔除畸變數(shù)據(jù)后可做數(shù)字濾波，以消除采集過程中隨機(jī)干擾。見圖2。

圖2　濾波前后對比

2.4數(shù)據(jù)反演成果

高密度電法測量得到的數(shù)據(jù)是各個(gè)電極在不同位置時(shí)測得的視電阻率，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，計(jì)算出地下視實(shí)電阻率并以圖件形式顯示，直觀反映地下物質(zhì)的電阻率變化[3]。本次反演計(jì)算采用RES2DINV高密度電法處理軟件，其工作原理是采用平滑約束最小二乘法進(jìn)行模型優(yōu)化，利用采集后預(yù)處理的電阻率數(shù)據(jù)計(jì)算生成地電模型[4]。

圖3　5000～5500段視電阻率斷面圖

圖3為反演計(jì)算后獲得的5000～5500視電阻率斷面圖，結(jié)合地表巖石出露情況以及視電阻率等值線的變化規(guī)律，選取30Ω·m等值線為界線大致作為土石分界面。實(shí)地采集時(shí)，5000點(diǎn)附近已接近基巖出露部位，推斷該點(diǎn)土層相對較?。粩嗝鎴D中視電阻率大于30Ω·m后等值線梯度變大，推斷高梯度變化帶應(yīng)為土石界面的反映。圖中黑色橢圓部位等值線變形彎曲，視電阻率值降低，推斷該處有灰?guī)r溶蝕或溶洞現(xiàn)象。

圖4　5600～6200段視電阻率斷面圖

圖4、圖5分別為5600～6200段視電阻率斷面圖與該段推斷地質(zhì)剖面。由地面調(diào)查可知，在6060點(diǎn)處為地層界限，大號點(diǎn)方向灰?guī)r出露，小號點(diǎn)方向黃土覆蓋。斷面圖中白色實(shí)現(xiàn)為推斷界面，根據(jù)高密度物探推斷成果，在5800測點(diǎn)處設(shè)計(jì)驗(yàn)證鉆孔一處，鉆探結(jié)果顯示在距地表深度23.5m處揭露灰?guī)r，與物探推斷界面誤差約1m，鉆探結(jié)果與物探推斷成果吻合很好，物探成果可信度較高。

圖5　5600～6200段推斷地質(zhì)剖面

3　結(jié)論

通過實(shí)踐工作可知，高密度電法探測土石分界面應(yīng)用效果明顯，得到地電模型能夠較好的反映地層的分布情況，鉆探結(jié)果表明勘探精度較高。

野外采集過程中電極接地不良時(shí)很容易產(chǎn)生畸變數(shù)據(jù)，處理過程中注意去偽存真。成果解釋遵循由已知到未知，結(jié)合地表調(diào)查成果對電性成果解譯，配合后期鉆探成果，對物探資料給以校正，更好地提高物探解釋精度。

[1]李金銘.地電場與電法勘探[M].地質(zhì)出版社,2005.

[2]王粵,龔育齡.高密度電法在探測某隧道路段土石方量中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2012,9(4):390-393.

[3]嚴(yán)加永,孟貴祥,呂慶田，等.高密度電法的進(jìn)展與展望[J].物探與化探，2012，36（4）：576-583.

[4]付小明,吳有亮,武驕陽，等.高密度電法在穿越工程中的應(yīng)用研究[J].勘察科技學(xué)術(shù),2011（2）:56-59.

P631.3

A

1004-5716(2015)07-0009-03

2014-07-14

劉巖波（1980-），男（漢族），河北廊坊人，工程師，現(xiàn)從事電法物探工作。