高密度電阻率法在高速公路隧道勘察中的應(yīng)用研究

鞏建軍，鄧居智,2，陳　輝,2，楊海燕,2，黃逸偉

(1.東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌 330013;2.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

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高密度電阻率法在高速公路隧道勘察中的應(yīng)用研究

鞏建軍1，鄧居智1,2，陳輝1,2，楊海燕1,2，黃逸偉1

(1.東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌 330013;2.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

隧道工區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、破碎帶以及塌陷等不良地質(zhì)體的存在已成為阻礙工程安全進(jìn)行的主要問題。因此如何準(zhǔn)確、快速地查明此類不良地質(zhì)體的規(guī)模與埋深，確保施工過程的安全順利進(jìn)行顯得尤為重要。為此首先介紹了高密度電阻率法的基本特點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及資料解釋，然后采用高密度電阻率法在浙江某隧道進(jìn)行實(shí)際探測。結(jié)果表明：該方法不僅能查明隧道所處地段可能存在的隱伏構(gòu)造、斷裂破碎帶和富水區(qū)域的位置，還能查明地表強(qiáng)風(fēng)化層的厚度等。本次探測驗(yàn)證了高密度電阻率法在隧道勘察中應(yīng)用的可行性及有效性，為其今后在此類隧道勘察中的應(yīng)用提供了重要的參考。

高密度電阻率法；隧道勘察；視電阻率；破碎帶

The Application of High Density Resistivity Method to the Tunnel Exploration of Expressways

1　引　言

高速公路作為一種基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于城際和沿線各地區(qū)的物流運(yùn)輸、資源開發(fā)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等發(fā)揮著重要的作用，是交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路建設(shè)的投資規(guī)模越來越大，質(zhì)量要求越來越高，與此同時(shí)，由于我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在新建過程中遇到的各種地質(zhì)安全問題也日益增加[1-3]。因此，如何快速而準(zhǔn)確地勘測、查明各路段，特別是隧道路段的地質(zhì)概況和可能存在的各種不良地質(zhì)體，確保施工安全是擺在物探工作者面前的重大挑戰(zhàn)[4-6]。

隧道施工過程中發(fā)生的各種地質(zhì)災(zāi)害是影響隧道施工安全和工程安全的主要問題。為了減少其對(duì)隧道工程的影響，在隧道施工前必須采用合適的地球物理方法對(duì)整個(gè)工區(qū)地下地質(zhì)概況做好勘查工作，從而做好施工過程中地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和預(yù)防。對(duì)于地形復(fù)雜的山區(qū)，地震勘探方法所需的時(shí)間和金錢成本較高；大地電磁法雖然具有勘探深度大，受地形影響小，不受高阻影響等優(yōu)勢(shì)，且在眾多深埋隧道中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在埋深相對(duì)較小的隧道勘查中，大地電磁法的淺部分辨率低，難以取得理想效果[7-10]。與之相比較，高密度電阻率法具有數(shù)據(jù)量大，淺層分辨率高的特點(diǎn)，且經(jīng)濟(jì)成本低，是山區(qū)中淺埋隧道勘查的很好選擇。

本文通過在浙江某高速淺埋隧道勘探中高密度電阻率法的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)該方法的理論、工作特點(diǎn)與技術(shù)問題進(jìn)行了進(jìn)一步的討論和研究。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和反演分析，有效地圈定了低阻異常區(qū)域，查明了構(gòu)造破碎帶等不良地質(zhì)體的起伏形態(tài)及埋深，結(jié)合地質(zhì)資料，查明了第四系覆蓋層厚度、下伏基巖面規(guī)模，為隧道的合理安全設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)，對(duì)今后淺埋隧道的勘查具有一定的參考價(jià)值。

2　高密度電阻率法勘探的工作特點(diǎn)及觀測系統(tǒng)

高密度電阻率法是以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測人工施加穩(wěn)定電流場作用下的傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律及其變化特點(diǎn)，來查明地下地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)體的地球物理方法[11,12]。近年來，該方法在工程地質(zhì)調(diào)查、地下水探測、地質(zhì)災(zāi)害勘查、隧道勘探等眾多工程勘查領(lǐng)域取得了良好的地質(zhì)效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益[13-15]。

相對(duì)于其他常規(guī)電阻率法，它具有以下特點(diǎn)：①電極布設(shè)是一次性完成，減少了電極布設(shè)引起的干擾；②能進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測量，獲取豐富的地電斷面信息；③野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，采集速度快；④可以實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場實(shí)時(shí)預(yù)處理，顯示剖面曲線形態(tài)；⑤成本低，效率高，數(shù)據(jù)信息豐富，解釋方便快捷[14-21]。

圖1　四電極觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1　The schematic diagram of four-electrode observing system

圖2　雙邊三極觀測系統(tǒng)示意圖Fig.2　The schematic diagram of bilateral three-electrode observing system

圖3　高密度電阻率法工作示意圖Fig.3　The schematic diagram of high density resistivity method

3　資料處理及解釋流程

高密度電阻率法資料處理工作采用如下流程：數(shù)據(jù)預(yù)處理→二維反演軟件反演擬合→抽取單點(diǎn)測深曲線進(jìn)行基巖深度反演→繪制等值斷面圖→結(jié)合等值斷面圖進(jìn)行地質(zhì)解釋→形成解釋剖面。

綜合解釋步驟如下：

1)首先使用二維反演軟件來進(jìn)行反演擬合，擬合結(jié)果圖作為地質(zhì)解釋的參考資料。

2)根據(jù)實(shí)測剖面數(shù)據(jù)抽取測深曲線，對(duì)測深曲線給出初步物理模型：層數(shù)、層厚、層電阻率值。然后進(jìn)行反復(fù)正反演擬合，直到擬合曲線與實(shí)測曲線基本吻合。

3)結(jié)合各測段平面等值斷面圖及現(xiàn)場地質(zhì)資料，繪出物探地質(zhì)解釋斷面。

資料解釋時(shí)主要考慮視電阻率斷面圖中背景值、低阻異常的形態(tài)、低阻異常值及其梯度值等因素，并結(jié)合實(shí)際地段所對(duì)應(yīng)的地層巖性，對(duì)地層分界線、斷層及巖體的破碎、軟弱或含水情況進(jìn)行判釋，依據(jù)視電阻率斷面圖上電阻率異常等值線形態(tài)及走向趨勢(shì)確定異常的邊界。

4　工區(qū)地質(zhì)概況及地球物理?xiàng)l件

4.1區(qū)域地質(zhì)概況

結(jié)合地形圖和野外實(shí)地調(diào)查，可將本工區(qū)劃分為三種地貌：

1)低山丘陵區(qū)。主要巖性為上中元古界南弄組、泗源組變質(zhì)巖，白堊系凝灰?guī)r、含礫砂巖及早白堊世潛火山巖體；地形波狀起伏，線路中段早白堊系凝灰?guī)r低山區(qū)溝谷深，山峰連綿，水流侵蝕作用為主，變質(zhì)巖丘陵區(qū)巖體風(fēng)化作用為主，丘陵多呈渾圓狀，龍崗與寬淺坳溝相間。工作區(qū)沿線低山區(qū)山體自然坡度一般在20°～40°左右，局部可達(dá)45°以上，植被較發(fā)育；丘陵區(qū)山體自然坡度為20°～35°，植被發(fā)育一般。

2)山前及溝谷坡洪積斜地。主要由上更新統(tǒng)含碎石粉質(zhì)黏土及含黏性土碎石組成，展布于壟崗坳溝及兩側(cè)山前地帶，部分位于支流河谷。工作區(qū)地形平坦，自然坡度為8°～15°，部分地段為農(nóng)田。

3)河谷沖積平原區(qū)。由全新統(tǒng)沖積地層組成，分布于安仁溪、龍泉溪及其兩岸一級(jí)沖積階地及河漫灘；地形開闊，自然坡度小于5°，多為農(nóng)田及住宅。

4.2地球物理?xiàng)l件

影響電阻率的主要因素有礦物成分、巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等。對(duì)于高密度電阻率法，本區(qū)的地球物理?xiàng)l件是：測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地表水與地下水豐富，若基巖中出現(xiàn)構(gòu)造破碎帶或斷層，則其巖層電阻率值會(huì)明顯降低；若基巖出現(xiàn)不同巖性接觸帶，則其巖層電阻率值會(huì)表現(xiàn)出差異，這是本區(qū)采用高密度電阻率法探查隧道地質(zhì)構(gòu)造帶與節(jié)理裂隙密集帶以及它們充水條件的物理前提條件。因此，在本區(qū)采用高密度電阻率法來進(jìn)行探測是非常合適的。

但是，在本次物探工作中使用高密度電阻率法也存在一些不利條件，它們是：①表層軟質(zhì)土和地表植被較發(fā)育，不利于不極化電極的埋置，影響不極化電極與地表土的耦合；②雨后施工，容易引起電纜線短路，影響信號(hào)采集的質(zhì)量；③測區(qū)地形條件差，嚴(yán)重影響測線布設(shè)；④測區(qū)地形坡度陡且起伏大，加大了物探解釋工作中地形校正的難度。

分析地形、地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定采用如下應(yīng)對(duì)措施：①在遇到松散土層或植被較發(fā)育地表時(shí)，挖去表面松散土層或植被后再布置電極，使電極與大地耦合；②為了消除電纜線接口處(裸露部位)產(chǎn)生短路時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集的不利影響，本次物探工作遇到地面較潮濕時(shí)，把接口部位用干布擦拭干凈并支起；③此次物探工區(qū)大部分為山坡地貌，地形起伏大且坡度陡，為了保證成果的解釋精度，測量人員每隔10 m測量并記錄地形的突變情況，以用作地形校正；④嚴(yán)格布設(shè)測線，保證接地良好，線路暢通穩(wěn)定，確保數(shù)據(jù)精度。通過采取以上若干措施，保證物探現(xiàn)場采集資料的可靠性和質(zhì)量。

5　野外工作布置及成果解釋

5.1野外工作布置

本次物探工作的任務(wù)是對(duì)在工程可行性研究階段未進(jìn)行物探勘探的、沿線地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道工點(diǎn)進(jìn)行勘察工作。其目的是為了調(diào)查以下三個(gè)方面：①斷層、破碎帶及其影響帶位置；②巖體

的完整性和覆蓋層、風(fēng)化層的厚度；③崩坡、塌陷等不良地質(zhì)體厚度。

由于工區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，且判斷其二維地質(zhì)構(gòu)造較好，本次野外數(shù)據(jù)采集選用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電阻率法測量系統(tǒng)，采用溫納裝置進(jìn)行測量。根據(jù)勘察任務(wù)要求和現(xiàn)場地形條件，沿隧道設(shè)計(jì)線位分別布置縱測線5條，在隧道進(jìn)出口位置分別布設(shè)2條橫斷面。電極距根據(jù)測區(qū)地質(zhì)目標(biāo)的埋深及現(xiàn)場地形、地質(zhì)情況選擇，縱斷面采用10 m斜距，橫斷面采用5 m水平距。

5.2成果解釋

按照前述方法處理資料，先用Geogiga Rimager軟件進(jìn)行反演成圖(圖4、圖5)，再參照工區(qū)地質(zhì)資料根據(jù)上述解釋原則進(jìn)行解釋，具體解釋結(jié)果如下(成果解釋主要為隧道設(shè)計(jì)線附近相關(guān)地質(zhì)情況)。

由圖4可知，測線1的視電阻率分界面清晰，巖性變化明顯，主要有凝灰?guī)r、砂巖、灰?guī)r、花崗斑巖和石英閃長巖等，地表分布有大量第四系地層。視電阻率值從上到下整體呈層狀分布，可分為三層，表層約10 m深度范圍內(nèi)視電阻率值較低，小于1 000 Ω·m，為巖體風(fēng)化的電性表現(xiàn)，中下部視電阻率值局部分布零亂，表明該地段圍巖破碎、裂隙較發(fā)育，儲(chǔ)水條件較好，可能對(duì)隧道工程產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。其中：

隧道GS2469+600～GS2469+880段為斜坡地形，地形陡峭，植被發(fā)育。從測線1視電阻率等值線斷面圖中可見，視電阻率值為中阻，變化不大。結(jié)合地質(zhì)資料解釋可知，整段中部為中風(fēng)化凝灰?guī)r，部分地表為強(qiáng)風(fēng)化角礫凝灰?guī)r，判斷該段隧道圍巖完整性好，富水性差，工程性質(zhì)好。

圖4　測線1視電阻率斷面Fig.4　The diagram of 1-line apparent resistivity profile

圖5　橫向-1視電阻率斷面Fig.5　Horizontal-1 apparent resistivity profile

隧道GS2469+880～GS2470+120段為丘陵地帶，地形較緩，植被發(fā)育。從測線1視電阻率等值線斷面圖中可見，視電阻率值變化較大，表層為中低阻，下部為高阻地層，其中在GS2469+940和GS2470+060附近分別存在低阻區(qū)，ρs<1 000 Ω·m，寬度不大。結(jié)合地質(zhì)資料解釋可知，表層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，中部為中風(fēng)化灰?guī)r，下伏基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r。在GS2469+940和GS2470+060段存在構(gòu)造破碎帶，寬度約為10～30 m，往大里程方向傾，傾角約75°，推測巖體較為破碎，含水性好，受破碎帶影響，周圍巖體完整性差，工程地質(zhì)條件也較差。

隧道GS2470+120～GS2470+720段為丘陵地帶，地形陡峭，植被發(fā)育。從測線1視電阻率等值線斷面圖中可見，視電阻率值為中高阻，表層為中阻，下部為高阻地層。結(jié)合地質(zhì)資料解釋可知，表層為中風(fēng)化凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r，下伏基巖為弱風(fēng)化凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r，隨地形起伏，判斷該段隧道圍巖完整性好，富水性差，工程性質(zhì)好。

隧道GS2470+720～GS2470+920段為丘陵地帶，地形較緩，植被發(fā)育。從視電阻率等值線斷面圖中可見，視電阻率值為中低阻，在GS2470+900和GS2470+740附近分別存在低阻區(qū)，ρs<1 000 Ω·m。結(jié)合地質(zhì)資料解釋可知，整段為中風(fēng)化石英砂巖、砂礫巖、灰?guī)r，GS2470+900和GS2470+740段存在構(gòu)造破碎帶，寬度約為20～30 m，往大里程方向傾，傾角約80°，推測巖體較為破碎，含水性好，且局部有小斷裂或裂隙密集發(fā)育，巖體工程地質(zhì)條件較差。

隧道GS2470+920～GS2471+360段為丘陵地帶，地形較緩，植被發(fā)育。從測線1視電阻率等值線斷面圖中可見，視電阻率值為中高阻，表層為中阻，下部為高阻地層。結(jié)合地質(zhì)資料解釋可知，表層為中風(fēng)化花崗斑巖，直接出露地表，下伏基巖為弱風(fēng)化花崗斑巖。

由圖5可知，隧道進(jìn)洞口橫斷面地層相對(duì)比較簡單，視電阻率分界面清晰。從橫向-1視電阻率等值線斷面圖中可見，視電阻率值變化較大，在0～100段和中間140～210段下部存在高阻異常區(qū)，在100～140段和200～230段存在兩個(gè)低阻帶，ρs<500 Ω·m。結(jié)合地質(zhì)資料解釋可知，0～100段為弱風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖；100～295段表層為第四系覆蓋，中部為強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，并在大于200段直接出露地表，其中100～140段和200～230段可能存在含水區(qū)域，寬度約為30～40 m， 推測為含水破碎帶，周圍巖體比較破碎，影響范圍較大。

6　結(jié)　論

本文通過在浙江某高速隧道開展高密度電阻率法實(shí)際探測，對(duì)該方法在淺埋隧道的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。通過分析數(shù)據(jù)資料得出以下結(jié)論：

1)本次高密度電阻率法地面物探工作初步查明了工作區(qū)域地下300 m以內(nèi)可能存在的斷層、破碎帶及富水區(qū)域等構(gòu)造的形態(tài)、規(guī)模及埋深情況，結(jié)合地質(zhì)資料，推測出巖體的破碎程度和地表第四系覆蓋層、風(fēng)化層的厚度。

2)隧道進(jìn)出口多處于強(qiáng)風(fēng)化地段，周圍巖體比較破碎，在實(shí)際測量中，如果對(duì)隧道口的橫剖面采用更小的電極距進(jìn)行測量，勘探效果會(huì)更好。

3)在測量過程中，由于排列的長度、供電電流有限，因此在埋深較大的地方，并不能達(dá)到預(yù)期效果。建議在下一階段的工作中，對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道，尤其是在本階段查明的在隧道洞身范圍內(nèi)的，并且有物探推斷為斷層破碎帶、節(jié)理密集帶的隧道，適當(dāng)增加物探工作量，當(dāng)條件合適時(shí)，布設(shè)鉆孔進(jìn)行相互驗(yàn)證。

4)高密度電阻率法在隧道勘察中能夠很好地探測出隧道附近基巖埋深，數(shù)據(jù)量大，分辨率高,能夠比較直觀地反映構(gòu)造破碎帶、富水帶等不良地質(zhì)區(qū)域地下電性異常體的形態(tài)特征，便于異常區(qū)域的推斷解釋，為今后類似工程的開展積累了經(jīng)驗(yàn)。

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Gong Jianjun1,Deng Juzhi1,2,Chen Hui1,2,Yang Haiyan1,2,Huang Yiwei1

(1.SchoolofNuclearEngineeringandGeophysics,EastChinaInstituteofTechnology,

NanchangJiangxi330013,China;2.FundamentalScienceonRadioactiveGeologyandExplorationTechnologyLaboratory,EastChinaInstituteofTechnology,NanchangJiangxi330013,China)

The existence of fault fracture zone, collapse and the other unfavorable geological body is a major security problem for safe construction in survey of tunnel exploration under the condition of complex topography and geology. It is very important to survey and find out quickly and accurately the scale and buried depth of all kinds of possible bad geological body to ensure the construction safety. The paper combines with practical application in the tunnel exploration and introduces briefly the basic principle, data acquisition and data interpretation of high density resistivity method. It turns out that the method can not only explore the position for the possible buried structure, fracture zone and water rich region, but also survey the weathered layer thickness. It verifies the feasibility and effectiveness of the method applied to the tunnel exploration and provides an important reference for the future exploration of the tunnel.

multi-electrode resistivity method; tunnel exploration; apparent resistivity; fracture zone

1672—7940(2016)04—0429—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.005

國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41164003,41404057,41174107)；放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基金(編號(hào)：RGET1308)

鞏建軍(1988-)，男，碩士研究生，主要從事地球物理勘探應(yīng)用方面的研究。E-mail：jiangjun.wt@163.com

鄧居智(1972-)，男，教授，主要從事電磁法勘探的教學(xué)與研究工作。E-mail：jzhdeng@ecit.edu.cn

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2016-01-22