高密度電法在炸山嘴隧道勘探中的應(yīng)用

余燦鑫

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

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高密度電法在炸山嘴隧道勘探中的應(yīng)用

余燦鑫

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

斷層是一種破壞巖體連續(xù)性和完整性的不良地質(zhì)體，危及隧道施工；同樣地下含水層也是隧道工程施工中的安全隱患，時(shí)常造成地面崩塌。對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行準(zhǔn)確判斷是保證隧道施工安全進(jìn)行的前提條件。以炸山嘴隧道為例，采用高密度電阻率法對(duì)隧址區(qū)的異常特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，利用高密度電法斷面上的低阻異常帶劃分出了含水層的位置、埋深及規(guī)模，利用低高阻垂向分界面劃分出了斷層破碎帶位置。為隧道設(shè)計(jì)與施工提供了準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料。

隧道；地質(zhì)勘探；不良地質(zhì)體；地下含水層；高密度電法；判斷

1 工區(qū)地質(zhì)—地球物理特征

炸山嘴隧道隧址區(qū)內(nèi)，構(gòu)造單元屬于昆侖秦嶺地槽褶皺區(qū)走廊過(guò)渡帶六盤(pán)山復(fù)背斜北祁連加里東地槽褶皺帶靖遠(yuǎn)疊坳陷。走廊過(guò)渡帶，北接阿拉善臺(tái)隆，南以南華山—西華山深斷裂與北祁連加里東地槽褶皺帶為界，東以龍首—六盤(pán)深斷裂與鄂爾多斯西緣拗陷帶相鄰。該帶在前震旦紀(jì)即已形成，加里東運(yùn)動(dòng)和印支運(yùn)動(dòng)為主要褶皺期。六盤(pán)山復(fù)背斜西以六盤(pán)山西麓大斷裂為界，北界于煙筒山及羅山南端，東至龍首-六盤(pán)深斷裂，南延至甘肅境內(nèi)。本區(qū)基底可能為中—上元古界和下古生界，自晚古生代至侏羅紀(jì)屬長(zhǎng)期隆起區(qū)。燕山末期運(yùn)動(dòng)使本區(qū)褶皺隆起，形成北西向?qū)捑彽膹?fù)式褶皺，并且伴隨斷裂運(yùn)動(dòng)。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)在燕山末期運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生斷塊的升降運(yùn)動(dòng)。

隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭組黃土(Q3eol)和下第三系始新統(tǒng)清水營(yíng)組泥巖、砂質(zhì)泥巖(E3q)、漸新統(tǒng)寺口子組砂礫巖(E2s)、白堊系下統(tǒng)乃家河組泥砂巖(K1n)。

對(duì)于隧址區(qū)的地球物理特征而言，隧址區(qū)內(nèi)的幾種主要介質(zhì)巖體電阻率存在明顯差異，表層的黃土和粉質(zhì)粘土的電阻率范圍為幾十至300 Ω·m，泥巖的電阻率范圍為幾十至150 Ω·m，礫巖的電阻率范圍為幾十至數(shù)千Ω·m，砂巖的電阻率范圍為幾十至1 000 Ω·m，可見(jiàn)隧址區(qū)內(nèi)地層電阻值存在明顯差異，存在良好的地球物理?xiàng)l件，采用高密度電法進(jìn)行勘探具備較強(qiáng)的可行性，能夠取得良好的探測(cè)效果。

2 探測(cè)技術(shù)實(shí)施

高密度電法是一種常用的地球物理勘探方法，基于地下不同巖土體介質(zhì)之間的電性差異，通過(guò)供電電極向地下供電來(lái)建立穩(wěn)定的電流場(chǎng)，然后再利用測(cè)量電極記錄電流場(chǎng)的分布情況，從而達(dá)到查明地下地質(zhì)問(wèn)題的目的[1-3]，因此高密度電法在探測(cè)電性不均勻體方面能夠取得良好的效果。技術(shù)人員通過(guò)預(yù)先布置好的電極，利用電極轉(zhuǎn)換器和多功能電測(cè)儀，根據(jù)測(cè)區(qū)的地質(zhì)情況和地球物理?xiàng)l件選擇合適的電極排列裝置和測(cè)量參數(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，避免了由于人為誤操作引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

高密度電法具備電剖面法和電測(cè)深法各自的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以同時(shí)獲取地層縱向和橫向的電性特征，全面掌握地下斷面的電性特征[5]，而且高密度電法能夠采用溫納、偶極、微分等多種電極排列方式進(jìn)行掃描測(cè)量，根據(jù)不同排列裝置的特點(diǎn)來(lái)解決不同的地質(zhì)問(wèn)題。在數(shù)據(jù)處理方面[6]，可以利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除畸變點(diǎn)、地形校正等一系列處理，最后完成反演成圖，以更加直觀的方式反映地下斷面的電性特征。

測(cè)量?jī)x器選用的是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀和WDZJ-3多路電極轉(zhuǎn)換器。為滿足勘探任務(wù)需求，同時(shí)使用兩臺(tái)多路電極轉(zhuǎn)換器，一共連接120根電極，最小電極距設(shè)置為5 m，以此加大勘探深度，達(dá)到查明工區(qū)深部電性特征的目的。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比不同排列裝置的測(cè)量效果[7]，發(fā)現(xiàn)α裝置(即溫納裝置)的測(cè)量結(jié)果分層性好，分辨率較高，故選用α裝置作為本次物探的主要測(cè)量裝置。

本次物探工作在炸山嘴隧道A4合同段內(nèi)共完成高密度電阻率法測(cè)線10條，其中在隧道左線(ZK線)共布置了4條測(cè)線，在隧道右線(YK線)共布置了5條測(cè)線，在隧道左線洞口處布置了1條橫測(cè)線。工區(qū)測(cè)線具體布置詳見(jiàn)圖1。

圖1　工區(qū)測(cè)線布置圖

數(shù)據(jù)接收與格式轉(zhuǎn)換采用的是BTRC2004軟件，反演采用的是瑞典的Res2dinv軟件。數(shù)據(jù)處理流程為：首先將沿隧道軸線的多條測(cè)線段的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，然后將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成能夠被反演軟件識(shí)別的格式，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除壞點(diǎn)、地形校正等預(yù)處理，最后經(jīng)過(guò)最小二乘反演得到電阻率成像剖面圖。依據(jù)資料解釋原則，結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)資料，對(duì)電阻率成像剖面圖進(jìn)行解譯，繪制地質(zhì)解譯剖面圖。

3 成果分析

3.1 左線探測(cè)

如圖2所示，ZK23+610～ZK24+030測(cè)線段(圖2中為23 610～24 030)，根據(jù)剖面電性特征可大致劃分為三層，電阻率值整體呈高中低的分布趨勢(shì)。第1層覆蓋層以黃土和粉質(zhì)粘土為主，電阻率較高，數(shù)值介于50～370 Ω·m，厚度在3～10 m左右。第2層電阻率值介于70～150 Ω·m，以全風(fēng)化泥巖和強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主。在ZK23+890～ZK24+030測(cè)線段覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖層之間還存在一強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，電阻率介于兩者中間。第3層地層與下第三系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組地層吻合，巖性以中風(fēng)化泥巖為主。

圖2 A4合同段ZK線(ZK23+610～ZK24+850)電阻率成像剖面圖及地質(zhì)解譯剖面圖

ZK24+030～ZK24+600測(cè)線段，根據(jù)電性特征可大致分為四層。覆蓋層為第四系覆蓋物，主要由粉質(zhì)粘土和黃土夾碎石塊組成，電阻率較高，數(shù)值介于150～380 Ω·m之間，厚度在4～15 m左右。第2層巖性以全風(fēng)化礫巖層和強(qiáng)風(fēng)化礫巖為主，電阻率介于200～1 000 Ω·m之間，比覆蓋層電阻率高，與地質(zhì)資料的下第三系漸新統(tǒng)寺口子組吻合，礫巖層厚度從10～40 m不等。第3層電阻率較低，電阻率值介于15～70 Ω·m之間，推測(cè)此層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，厚度從20～40 m不等。第4層電阻率較高，電阻率介于130～1 000 Ω·m之間，與白堊系下統(tǒng)乃家河組地層吻合，巖體以中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r為主。在ZK24+570處有一山溝，由圖可見(jiàn)，溝下方電性呈高阻反映，與地質(zhì)資料下第三系漸新統(tǒng)寺口子組地層吻合，巖性主要為礫巖。

ZK24+600～ZK24+850測(cè)線段，根據(jù)電性特征可大致分為三層。覆蓋層電阻率較高，介于80～260 Ω·m之間，厚度約為6～15 m不等。第2層電阻率較覆蓋層偏低，電阻率介于40～160 Ω·m之間，厚度約5～20 m，巖性主要為下第三系始新統(tǒng)清水營(yíng)組泥巖和砂質(zhì)泥巖。第3層為一高阻層，電阻率介于166～900 Ω·m之間，與下第三系漸新統(tǒng)寺口子組吻合，推測(cè)為礫巖層，厚度約為15～25 m。

異常推斷如下：

異常Ⅰ，ZK23+780～ZK23+850測(cè)線段有一低阻異常區(qū)，電阻率值介于3～15 Ω·m 之間，地質(zhì)資料顯示該處巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，推測(cè)低阻異常是由泥巖含水所引起。

異常Ⅱ，ZK23+910～ZK24+000測(cè)線段有一大塊低阻異常，電阻率值介于1～15 Ω·m之間，結(jié)合地質(zhì)資料推測(cè)為下第三系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組，泥巖含水所致。

異常Ⅲ，ZK24+020～ZK24+050測(cè)線段，高程2 100～2 040 m左右兩側(cè)為明顯的陡立低高阻分界線，水平方向巖性的電阻率差異明顯，具備斷層的電性分布特征，故推測(cè)該處為斷層。

異常Ⅳ，ZK24+090～ZK24+410測(cè)線段，高程約2 060 m處，電阻率值較低，數(shù)值介于8～150 Ω·m之間，巖性主要為白堊系下統(tǒng)乃家河組的強(qiáng)風(fēng)化泥巖，因巖體較破碎含水后呈低阻異常。

異常Ⅴ，ZK24+640～ZK24+700測(cè)線段，在ZK24+670下方、高程約2 080 m處存在一低阻圈閉，電阻率介于20～80 Ω·m之間。結(jié)合地質(zhì)資料，該測(cè)線段為老第三系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組，巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主。推測(cè)可能是泥巖含水致其呈低阻異常。

3.2 右線探測(cè)

如圖3所示，YK23+050～YK23+980測(cè)線段(圖3中為23 050～23 980)，可分為四層。第1層地表電阻率較高，介于40～380 Ω·m之間，為以黃土和粉質(zhì)粘土為主的第四系覆蓋層，厚度從4～12 m不等。第2層電阻率較覆蓋層偏低，介于2～380 Ω·m之間，與白堊系下統(tǒng)乃家河組吻合，巖性主要為全風(fēng)化泥巖。第3層電阻率介于10～400 Ω·m之間，巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂質(zhì)泥巖。第4層的巖性主要為鈣質(zhì)泥巖夾灰?guī)r，電阻率介于200～1 000 Ω·m之間。

YK23+980～YK24+800測(cè)線段，可分為三層。第1層地表電阻率較高，介于100～400 Ω·m之間，推測(cè)為第四系覆蓋層，主要由粉質(zhì)粘土和黃土組成，厚度為5～20 m。第2層為一高阻層，電阻率介于400至數(shù)千Ω·m，與地質(zhì)資料下第三系漸新統(tǒng)寺口子組吻合，巖性主要為泥質(zhì)礫巖，砂礫巖，厚度從10～50 m不等。第3層電阻率較低，在100 Ω·m以?xún)?nèi)，與白堊系下統(tǒng)乃家河組吻合，巖性主要為砂質(zhì)泥巖，泥巖。

圖3 A4合同段YK線(YK23+050～YK24+800)電阻率成像剖面圖及地質(zhì)解譯剖面圖

異常推斷如下：

異常Ⅰ′，YK23+200、YK23+350和YK23+660三處淺部均存在高阻異常，結(jié)合工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況，由圖中所圈定的Ⅰ′號(hào)異常推斷高阻異常均由窯洞引起。

異常Ⅱ′，YK23+325～YK23+890測(cè)線段，覆蓋層下存在一分布廣泛、連通性較好的低阻層，電阻率介于2～30 Ω·m之間。由圖中所圈定的Ⅱ′號(hào)異常可推測(cè)YK23+325～YK23+890測(cè)線段下方存在富水層，左線(ZK線)Ⅰ號(hào)異常和Ⅱ號(hào)異常與右線(YK線)的Ⅱ′號(hào)異常所處深度位置較為一致且兩條測(cè)線線距不大，推測(cè)可能為同一含水區(qū)域。

異常Ⅲ′，YK24+405～YK24+420測(cè)線段下方存在一低阻異常，電阻率介于50～80 Ω·m ，推測(cè)可能是泥巖含水所致。

異常Ⅳ′，YK24+435～YK24+460測(cè)線段，高程約2 050 m處電阻率較低，數(shù)值介于10～80 Ω·m ，推測(cè)低阻異常由泥質(zhì)礫巖破碎后含水所引起。

4 效果驗(yàn)證

圖4為隧道洞(進(jìn))口橫向測(cè)線的反演斷面圖，圖中標(biāo)注了隧道洞口左右兩處低阻異常，其中的Ⅱ″號(hào)低阻異常與左線ZK23+735～ZK23+845段(如圖2所示)以及右線YK23+325～YK23+890段(如圖3所示)下方的低阻異常區(qū)由同一低阻體引起，低阻層厚度約20 m，推測(cè)為一富水層。結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)資料分析，這兩處低阻異常均為泥巖含水所致。低阻異常區(qū)域恰位于進(jìn)洞口兩側(cè)，極易發(fā)生透水，引發(fā)邊坡失穩(wěn)、崩塌，隧道施工中存在嚴(yán)重的安全隱患。在隧道后期開(kāi)挖過(guò)程中，此兩處均出現(xiàn)不同程度的透水，與反演斷面圖中電性異常區(qū)域響應(yīng)一致，基本證實(shí)了此測(cè)線段反演成果圖的可靠性。

圖4 A4合同段左線(ZK線)隧道進(jìn)口電阻率成像橫剖面圖

5 結(jié)束語(yǔ)

利用高密度電法基本上查明了工區(qū)巖性變化、含水層和富水帶的分布情況，并且得到了工區(qū)鉆探資料對(duì)物探解釋的支持，為接下來(lái)開(kāi)展隧道工程提供了可靠的工作依據(jù)及資料。即使在地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域下探測(cè)近百米內(nèi)的地質(zhì)情況，高密度電法仍能較好地反映不良地質(zhì)體的電性特征和空間展布，充分反映其較大的優(yōu)越性、較廣的實(shí)用性和較高的準(zhǔn)確性，從而產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。結(jié)合高密度電法在隧道勘察及其他工程中的成功應(yīng)用，總結(jié)其特點(diǎn)如下：

(1)不同于鉆探等勘探方法，高密度電法物探資料具有連續(xù)性，可以反映出測(cè)線范圍內(nèi)任意一點(diǎn)的地質(zhì)情況，勘探更為高效，結(jié)果更為全面。高密度電法具備測(cè)量效率高、勘探成本低、探測(cè)精度高、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)，能夠在隧道工程勘察中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

(2)根據(jù)工區(qū)地形、地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件，合理布置測(cè)線，通過(guò)試驗(yàn)等方式選擇合適的排列裝置和測(cè)量參數(shù)，嚴(yán)格按照規(guī)范開(kāi)展勘測(cè)工作，采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。在反演與解譯時(shí)，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)資料和前期成果，對(duì)異常進(jìn)行分類(lèi)劃分，分析引起異常的地質(zhì)因素，提高推斷解釋的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

(3)由于利用單一物探方法進(jìn)行解譯會(huì)存在多解性，應(yīng)用效果將無(wú)法完全滿足勘探任務(wù)的要求，所以在隧道勘察的過(guò)程中應(yīng)結(jié)合多種探測(cè)方法，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的探測(cè)，盡可能全面準(zhǔn)確地查明區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害情況，取得最佳的勘探效果。

[1]張 勝,韓許恒,李秉強(qiáng),等.高密度電法在采空區(qū)勘測(cè)中的應(yīng)用[J].災(zāi)害學(xué),2005,20(4):64-66

[2]黃小年,肖宏躍,雷 宛,等.高密度電阻率法在排石場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].災(zāi)害學(xué),2007,22(2):77-81

[3]燕艷朋，王運(yùn)生.高密度電法地表探測(cè)在隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011,48(3):128-131

[4]羅 術(shù),孫茂銳.高密度電法在公路大長(zhǎng)隧道勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,10(5):683-686

[5]肖宏躍,雷 宛,雷行健.高密度電阻率法中幾種裝置實(shí)測(cè)效果比較[J].工程勘察,2007(9):65-69

[6]劉 斌,張光保.高密度電法在隧道涌水通道勘查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2012,9(6):750-754

[7]肖宏躍,雷行健,雷 宛.高密度電阻率法延時(shí)性勘探在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警中的應(yīng)用[J].災(zāi)害學(xué),2008, 23(2):37-40

On the Application of the High-Density Electrical Method to the Geological Prospecting for the Zhashanzui Tunnel

YU Canxin

(The 2nd Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway，Tangshan 064000,China)

The fault is a bad geological body which damages the continuity and integrity of the rock body,and thus endangers the safe construction of a tunnel.Similarly,the underground water-bearing strata are also potential trouble in safety for the construction of the tunnel,which often lead to collapsing of the ground.The accurate judgment of poor geological bodies is the premise for the safe construction of a tunnel.With the Zhashanzui Tunnel as a practical example,a study of the abnormal geological characteristics of the tunnel district is made by the high-density-resistivity method in the paper.Theresultoftheresearchshowsthat,byapplyingthehighdensityresistivitymethodtogeologicalprospecting,theburieddepthandthesizeofthewater-bearingstratumaremadeknowninthelightoftheabnormalityofthelowresistivityofthefault.Byusingtheloworhighresistancetowardstheinterface,theaccuratelocationofthefaultfracturezoneisfound.Thepapermayprovideaccurateandreliablegeologicaldataforthedesignandconstructionoftunnels.

tunnel;geological prospecting;poor geological body;underground water-bearing stratum;high-density electrical method;judgment

2016-05-16

余燦鑫(1984—)，男，工程師，主要從事隧道工程方面的技術(shù)管理工作。153473478@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.020

U452.11

B

1672-3953(2016)05-0074-05