高密度電法在隧洞工程勘察中的應(yīng)用

董 耀 肖 娟 劉 巖 金 路 王 巍

（1.河南省航空物探遙感中心，河南鄭州 450053；2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(地球物理深部探測研究)，河南鄭州 450053；3.中兵勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

高密度電法屬于直流電阻率法，在巖溶塌陷、采空區(qū)調(diào)查、風(fēng)化層探測、地基勘察等工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高密度電法是一種陣列勘探方法，也稱為自動電阻率系統(tǒng)，是直流電法的發(fā)展[1]，其功能相當于電測探法與電剖面法的結(jié)合。高密度電法具有電距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點，反演的斷面圖能直觀、形象地反映斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀、埋藏深度等[2-4]。高密度電法不同裝置系統(tǒng)在不同地球物理模型探測適應(yīng)性[5-6]，通過斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀，可以較準確地推測出地質(zhì)體空間形態(tài)、地層巖性、斷裂等情況，通過對溫納裝置高密度電法視電阻率異常處理計算公式，可消除地形的影響[7-9]；高密度電法探測成本低、效率高，地電信息豐富且探測精度高，在適合探測區(qū)域內(nèi)能夠達到較好的效果[10]。

雷 宛等對高密度電法幾種常用裝置以物理模擬的方式分別從探測覆蓋層深度、受地形起伏影響程度以及裝置對地質(zhì)體適應(yīng)性等方面進行了研究[10]。本研究區(qū)的地形地質(zhì)條件具有覆蓋層較薄、坡度大等特點，在某山區(qū)隧洞上方風(fēng)化三疊系砂巖面上開展不同裝置（溫納裝置、斯倫貝謝裝置）高密度電法試驗，可圈定隧洞上方的低阻地質(zhì)異常體，為后期安全施工提供預(yù)警。

1 高密度電法基本工作原理

1.1 基本原理

高密度電法是直流電法的一種，遵循直流電阻率法的相關(guān)理論原理[10]。在野外勘探過程中通過A、B 供電電極供電，在地下介質(zhì)中形成穩(wěn)定的電流場并滿足歐姆定律，并在測線下方形成穩(wěn)定電流場I，分別測量接收電極 M、N 兩點的電位 ΔU，其對應(yīng)的地下介質(zhì)電阻率 ρs符合歐姆定律[11-13]，見式（1）。

式中：K為裝置系數(shù)[14-15]，原理上，裝置系數(shù)的大小與電極之間的相對位置有關(guān)，在高密度電法野外施工過程中，當電極相對位置固定后，裝置系數(shù)K值也確定了。

在對地下介質(zhì)勘探測量時，無論電極A、B、M、N 之間相對位置怎么變化，式（1）均適用，針對不同的地質(zhì)勘探任務(wù)，可選擇對勘探有利的電極組合，這就是高密度直流電法本質(zhì)特征[16]。

1.2 高密度電法裝置系統(tǒng)

本研究采用溫納裝置及斯倫貝謝裝置，其工作原理為：

溫納裝置的四極剖面裝置電極是等間距的（AM= MN= NB 表示的電極間距），不同等電極距其對應(yīng)深度不同。電極距AM、MN、NB 是等間距的，固定四級平行地面方向?qū)Φ叵陆橘|(zhì)掃描一次，數(shù)據(jù)存儲一層；AM、MN、NB 每增大一個點距，重復(fù)掃描一層，數(shù)據(jù)分層存儲一次，一般掃描深度由淺到深，適合固定斷面掃描。溫納裝置固定橫截面掃描測量已被廣泛應(yīng)用，在測量過程中被分成測量面倒梯形電極陣列（見圖1）。

圖1 高密度電法溫納裝置示意圖[10]

斯倫貝謝裝置適用掃描測量滾動連續(xù)變截面，測量電極M、N 固定，電極A 向左逐點移動，電極B向右逐點移動，進行掃描獲取電極MN 中間的地下介質(zhì)巖性電性信息。電極A、M、N、B 同時逐點向右進行移動，重復(fù)上步操作，依次進行，進而獲得高密度直流電法矩形截面。本次工作野外觀測系統(tǒng)同溫納裝置觀測系統(tǒng)，僅變換數(shù)據(jù)采集方式（見圖2）。

圖2 高密度電法斯倫貝謝裝置示意圖[10]

1.3 高密度電法探測深度分析

高密度電法探測深度D，與AB、AM、MN、NB電極距呈正相關(guān)關(guān)系，進一步簡化為測深與AB 電極距的問題，AB 電極距越大，其對應(yīng)的探測深度越大。目前其探測深度與AB 電極距關(guān)系為探測深度D約為AB 電極距的1/3～1/10[6]。

2 案例分析

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于豫西某地，附近出露地層主要有三疊系、第四系。

三疊系分為太山廟組、太子山組。太子山組（T3tz）：上部為灰黃色中細粒巖屑石英砂巖；下部灰黃、土黃色中細粒長石巖屑砂巖為主夾少量泥質(zhì)板巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖。厚534.21 m。

第四系主要為坡積礫石及粉質(zhì)黏土、土黃色粉土、砂、礫石層。厚0～12.49 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

構(gòu)造總體走向為北西向，研究區(qū)附近斷層走向北西290°，斷層性質(zhì)不明。研究區(qū)附近巖性產(chǎn)狀：傾向北東，傾角14°～33°（見圖3）。

圖3 區(qū)域構(gòu)造示意圖

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地貌、含水層組、地下水富存條件和動力特征，考慮水文、氣象等因素，區(qū)內(nèi)地下水可劃分為兩種類型：松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

（1）松散巖類孔隙水

含水層巖性主要為第四系含鈣質(zhì)結(jié)核的黃土狀粉土，局部為粉細砂、砂礫石透鏡體，含水層厚一般小于1 m，含水率變化不均勻。

地下水補給來源主要為大氣降水及側(cè)向徑流補給，排泄形式為人工疏干。

（2）基巖裂隙水

含水層主要為三疊系變質(zhì)石英砂巖（多處含礫）、二云石英片巖、石榴二云石英片巖、白云石英片巖等，薄層不太穩(wěn)定的絹云石英大理巖，紅、灰白色細粒長石石英砂巖、石英粉砂巖、長石石英粉砂巖等。巖石的孔隙度較小，多沿大的構(gòu)造斷裂帶分布，水量變化較大，很不穩(wěn)定，無規(guī)律性，常隨構(gòu)造帶的規(guī)模、所處的位置、所切割的巖性及其含水性和距離地表的深度而決定。

地下水補給來源主要為大氣降水、地下水側(cè)向徑流補給，排泄形式為側(cè)向徑流。

2.4 隧道上方高密度電法測試

高密度電法剖面位于隧道上方，走向南東，方位角約146°。剖面位置地形起伏較大，高程317 ～412 m，溫納裝置見圖1（反演剖面見圖4），斯倫貝謝裝置見圖2（反演剖面見圖5）。本次高密度勘查，受地表不均勻、旁側(cè)干擾、地下游離電等因素影響較??；但是研究區(qū)地形坡度較大，測線布設(shè)困難。一個排列布置72 道電極，電極距7 m。

圖4 高密度電法溫納裝置反演剖面圖

圖5 高密度電法斯倫貝謝反演剖面圖

其地表巖性為三疊系中等風(fēng)化砂巖，剖面部分段有第四系零星碎石土。同時在縱向距離樁號205處有已知鉆孔ZK18，孔深60 m，0～2 m 為第四系碎石，2～6 m 為全風(fēng)化砂巖，6～24 m 為強風(fēng)化砂巖，24～60 m 為中等風(fēng)化砂巖；縱向距離樁號256 處有已知鉆孔ZK20，孔深30 m，0～1.7 m 為強風(fēng)化砂巖，1.7～30 m 為中等風(fēng)化砂巖。從高密度電法剖面圖4綜合解釋圖可以看出，剖面淺部主要表現(xiàn)為高、中、低阻特征，為全風(fēng)化砂巖、強風(fēng)化砂巖反映；中深部主要表現(xiàn)為高阻特征（電阻率值ρs為250～2100 Ω·m），為中等風(fēng)化砂巖反映。整體連續(xù)性較差，中間偶有較低阻交替出現(xiàn)。依據(jù)高密度電法剖面反演等值線斷面圖，結(jié)合已知地質(zhì)資料，解釋推斷1 條砂巖強風(fēng)化面（見圖4、圖5）。對應(yīng)電阻率值ρs≤250 Ω·m，厚度0～46 m，與下伏地層電阻率值ρs=250～2100 Ω·m具有明顯差異，地質(zhì)層傾向和測線走向垂直，同時在地形上對應(yīng)一沖溝，推測與砂巖含水率偏高有關(guān)。

對比兩個剖面，野外電極觀測系統(tǒng)一致，不同采集方法（溫納裝置、斯倫貝謝）其探測深度不同，對比圖4 與圖5，圖4 溫納裝置探測深度較大，圖5 斯倫貝謝裝置探測深度相對較淺，深度偏差在1.5%左右；從異常體范圍分析，溫納裝置橫向分辨率較高，高阻異常特征明顯；斯倫貝謝裝置對低阻異常體較明顯，其垂向分辨率較高，視電阻率曲線相對較平滑。

3 討論

通過在某隧道上方試驗測試，對地下地質(zhì)異常體探測（砂巖強風(fēng)化面），兩種方法適用性均較好。系統(tǒng)分析兩種方法略有差異：溫納裝置探測深度較大，橫向分辨率較高，高阻異常體特征反映較明顯；斯倫貝謝裝置探測深度相對較淺，其垂向分辨率較高，抗干擾能力強，低阻異常體反映較明顯。理論上，斯倫貝謝裝置在丘陵山區(qū)等坡度較大的地區(qū)適用性較好，本次試驗研究斯倫貝謝裝置采集處理成果可在一定程度上消除異常體特征，減少地質(zhì)解疑誤判。高密度直流電法裝置系統(tǒng)較多，在地質(zhì)勘探過程中，建議結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)情況、地貌條件進行高密度直流電法有效性試驗，選擇出適合的裝置類型，針對復(fù)雜地形地質(zhì)條件，建議優(yōu)選2 種以上的探測裝置類型開展工作。

本文綜合利用以往地質(zhì)資料，采用不同裝置高密度電法工作，分析其不同裝置高密度電法工作原理及應(yīng)用效果，圈定隧洞上方的低阻地質(zhì)異常體，取得良好效果。在一定坡度的地形條件下（非水平介質(zhì)理想模型），建議進一步對斯倫貝謝裝置開展應(yīng)用研究。

4 結(jié)論

（1）在丘陵山區(qū)淺層勘探，高密度電法具有很強適用性、經(jīng)濟性、便捷性。

（2）在相同的地質(zhì)條件確保探測深度，選擇不同采集裝置，便于多種方法相互驗證及分析對比。

（3）對比溫納裝置與斯倫貝謝裝置，溫納裝置探測深度較大，斯倫貝謝裝置探測深度相對較淺，深度偏差在1.5%左右；從異常體范圍分析，溫納裝置橫向分辨率較高，高阻異常特征明顯；斯倫貝謝裝置對低阻異常體較明顯，其垂向分辨率較高，視電阻率曲線相對較平滑。