電阻率成像法在地鐵隧道勘察中的應(yīng)用

王小明

（蘇交科集團(tuán)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

如今，我國(guó)經(jīng)濟(jì)繁榮，生產(chǎn)力水平飛速提升，人民對(duì)于生活的要求也隨之提升，城市各方面的基礎(chǔ)建設(shè)成為涉及民生的重大問題。 我國(guó)人民對(duì)于出行方式的要求也與日俱增，地鐵作為一種新興的、便捷的、環(huán)保的出行交通工具，受到了大家的廣泛關(guān)注，大多數(shù)城市都在大力修建地鐵。 在所有的工程中，都不能盲目的開始施工，否則會(huì)埋下巨大的安全隱患，需要在對(duì)工區(qū)地質(zhì)背景以及潛藏的地質(zhì)災(zāi)害有充分了解的基礎(chǔ)之上才可以科學(xué)的施工，避開安全隱患，而物探手段就是最重要的超前探測(cè)方法，所以，工程未動(dòng)，物探先行。 在地鐵隧道的開挖過程中，如果不進(jìn)行地質(zhì)異常預(yù)報(bào)，通常會(huì)遇到巖溶、突水、交通沉降等問題，所以需要通過超前探避免災(zāi)害的發(fā)生。

礦山法， 因模仿礦山中巷道的開挖方法而得名。在施工過程中，通常需要分部開挖，目的在于減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高安全系數(shù)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況以及安全需要修建襯砌。 如果地層比較松軟，一般會(huì)直接采用挖掘機(jī)進(jìn)行，同時(shí)設(shè)置支護(hù)，最先開挖導(dǎo)坑，再繼續(xù)擴(kuò)大。 相反，在堅(jiān)硬的巖層中，可以將整個(gè)斷面同時(shí)開挖。

電阻率成像法（ERT）通過供電電極向地下供電，接收電極測(cè)量電位差信息，基于地下不同介質(zhì)的電阻率差異來獲得地電場(chǎng)的分布，并且通過反演獲取地下的電阻率分布情況，有效的圈定異常體所在的位置以及異常體的產(chǎn)狀、規(guī)模等，是一種無損的物探方法，具有其他常規(guī)電法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 電阻率成像法起源于1980 年，隨后，其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在找礦和地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)中發(fā)揮了巨大的作用。 但傳統(tǒng)電法相對(duì)來說布極較為復(fù)雜，跑極較為緩慢，數(shù)據(jù)采集較為模糊。 而ERT 實(shí)現(xiàn)了電極的一次布設(shè)，能夠有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，高效海量數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，一次布設(shè)電極便可以多次測(cè)量，對(duì)地質(zhì)異常體的解釋更加準(zhǔn)確。 它實(shí)將電測(cè)深法和電剖面法相結(jié)合， 可以進(jìn)行多裝置、多極距的測(cè)量。 此外，測(cè)量還可以進(jìn)行多次疊加，提高測(cè)量精度，也有探測(cè)測(cè)線外圍一定范圍的能力，探測(cè)深度較為可觀。 使得電阻率剖面圖更加接近實(shí)際情況，大大提高了視電阻率的時(shí)間和空間分辨率。

在本文中， 筆者利用了電阻率層析成像技術(shù)，觀察了某隧道開挖過程中地下溶洞的響應(yīng)特征，根據(jù)得出的結(jié)果，認(rèn)為電阻率層析成像技術(shù)是一種較為可靠與合理的探測(cè)地下巖溶的地球物理勘探技術(shù)。

原理：

電阻率成像法是直流電法的一種。 在均勻的各向同性介質(zhì)中，供電電極和接收電極位于地表時(shí)，固定電流強(qiáng)度為I， 距離電源為R 的A 處的電勢(shì)為U，視電阻率ρ為：

式中，K 為裝置系數(shù)。K 值越小，對(duì)觀測(cè)越有利，因?yàn)橄嗤碾娫措娏骺梢援a(chǎn)生較大的電位差△U。 在非均勻介質(zhì)中，電位U由泊松積分給出：

式中，J 為電流密度；ρ 是介質(zhì)的真實(shí)電阻率；等式右邊的二項(xiàng)式分別對(duì)應(yīng)于一次場(chǎng)和二次場(chǎng)。 這個(gè)問題歸結(jié)為如何反演方程（2），也就是從U求ρ。

1 工程案例

1.1 工程概況與地質(zhì)條件

礦山法隧道位于常府山，為連接明挖段（一）、明挖段（二）的暗挖隧道，里程為左CRDK-0+861.337~左CRDK-1+182.099 （左線指出場(chǎng)線）、 右CRDK-0+889.500~右CRDK-1+206.860（右線指入場(chǎng)線），長(zhǎng)度為320m， 采用臺(tái)階法施工。 區(qū)間隧道凈距約1.7～9.2m。 線路縱斷面為單面坡，線路縱坡35%，隧道埋深為4.5~28m，隧道為馬蹄形結(jié)構(gòu)，凈空尺寸為5.28m×4.6m，區(qū)間兩側(cè)設(shè)置停車線，其中牽1 線長(zhǎng)134.931m，牽2 線長(zhǎng)100.185m， 斷面形式及工法同出入場(chǎng)線，與出入場(chǎng)線凈距約1.7~11.8m， 于牽出線端部設(shè)置與出入場(chǎng)線的通風(fēng)道。

礦山法隧道自上至下主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、混卵礫石、砂巖等。 隧道穿越地層主要為砂巖，洞頂1 倍洞徑范圍內(nèi)地層主要為④-5e1 卵石混圓礫、K2p-2c 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，局部為K2p-3c 中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。 穿越地層圍巖較軟，穩(wěn)定性差，隧道在開挖過程中，如對(duì)圍巖處理不當(dāng)，圍巖極易變形，發(fā)生坍塌事故。 該區(qū)間頂板巖層厚度較薄且風(fēng)化程度較高，易出現(xiàn)冒頂事故。

1.2 探測(cè)任務(wù)

在地鐵等勘察設(shè)計(jì)階段，隧道勘察是重點(diǎn)，物探作為一種經(jīng)濟(jì)快速的手段在隧道的勘察中具有重要作用。 隧道勘察利用物探方法可以查明第四系覆蓋層厚度、下伏基巖面埋深及起伏形態(tài)、構(gòu)造破碎帶或巖溶發(fā)育帶等不良地質(zhì)體的規(guī)模位置等，為隧道的合理安全設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

基于此，本項(xiàng)目針對(duì)西善橋礦山法隧道開展了高密度電法探測(cè)，擬通過隧道軸線下方巖體電阻率的分布特征，分析判定該隧道圍巖的相關(guān)地質(zhì)條件。

1.3 測(cè)線布置

現(xiàn)場(chǎng)布置電法測(cè)線兩條， 單條測(cè)線內(nèi)電極間距5m，其中測(cè)線1（左線，即出場(chǎng)線）長(zhǎng)度150m（控制里程段為左CRDK-1+045~左CRDK-1+176m）， 測(cè)線2（右線，即入場(chǎng)線）長(zhǎng)度250m（控制里程段為右CRDK-1+015~右CRDK-1+200m），共完成測(cè)線長(zhǎng)度400m。測(cè)量采用對(duì)稱四級(jí)裝置。

圖1 電阻率成像法結(jié)構(gòu)裝置圖

圖2 AB 供電時(shí)電流場(chǎng)分布

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置圖

1.4 結(jié)果分析

根據(jù)已有的背景資料，聯(lián)合探測(cè)區(qū)域內(nèi)已有的鉆孔地質(zhì)信息，可以與電阻率成像法的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析解釋，確定探測(cè)區(qū)域內(nèi)的層位信息。 若存在橫向的低阻差異，則很有可能該區(qū)域存在巖溶或?yàn)楹暂^高。 淺部孤立的高阻異常通常為高阻孤立巖體影響所致， 低阻為淺部黏土層及探測(cè)前期降雨影響所致。 由圖4 和圖5 所示，探測(cè)區(qū)內(nèi)巖體的電阻率值總體上小于100， 表層大部分的雜填土和素填土受降雨影響，電阻率值較低，只有局部為高阻；下部巖層電阻率普遍高于20，表明下部巖層的裂隙比較發(fā)育，含水性較高。 依據(jù)以上電阻率分布特征，并結(jié)合鉆孔地質(zhì)剖面，從圖6 和圖7 可以獲得：

圖4 礦山法隧道左線【控制里程段為左CRDK-1+045（即x=145）~左CRDK-1+176m（即x=0）】電阻率分布圖

圖5 礦山法隧道右線【控制里程段為右CRDK-1+015（即x=245）~右CRDK-1+200m（即x=0）】電阻率分布圖

圖6 礦山法隧道左線【控制里程段為左CRDK-1+045（即x=145）~左CRDK-1+176m（即x=0）】電法探測(cè)成果解釋

圖7 礦山法隧道右線【控制里程段為右CRDK-1+015（即x=245）~右CRDK-1+200m（即x=0）】電法探測(cè)成果解釋

（1）結(jié)合測(cè)區(qū)鉆孔地質(zhì)剖面，依據(jù)電阻率分布特征，給出了左線（測(cè)線1）和右線（測(cè)線2）下伏砂巖地層的分界線。

（2）左線：左CRDK-1+096（即x=95）~左CRDK-1+176m（即x=0）里程段巖體電阻率值較低，反映砂巖裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度高；其中左CRDK-1+135（即x=45）~左CRDK-1+161m（即x=15）里程段巖層可能有一定的含水性，圍巖穩(wěn)定性差；

（3）右線：右CRDK-1+048（即x=200）~右CRDK-1+67m （即x=175）、 右CRDK-1+084 （即x=155）~右CRDK-1+135m（即x=85）和右CRDK-1+160（即x=55）~右CRDK-1+173m（即x=35）里程段巖體電阻率值較低，反映砂巖裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度高；其中右CRDK-1+084（即x=155）~右CRDK-1+135m（即x=85）里程段可能有一定的含水性，巖層穩(wěn)定性較差。

2 結(jié)語

（1）結(jié)合鉆孔地質(zhì)剖面，依據(jù)電阻率的分布特征，判定了礦山法隧道物探探測(cè)里程段內(nèi)砂巖層位的分界線。

（2）據(jù)電阻率分布特征，判定左CRDK-1+096~左CRDK-1+176m 里程段砂巖層位裂隙發(fā)育， 風(fēng)化程度高， 圍巖穩(wěn)定性較差； 其中左CRDK-1+135~左CRDK-1+161m 里程段巖層可能有一定的含水性。

（3）據(jù)電阻率分布特征，右CRDK-1+048~右CRDK-1+67m、 右CRDK-1+084~右CRDK-1+135m 和右CRDK-1+160~右CRDK-1+173m 里程段砂巖層位裂隙發(fā)育， 風(fēng)化程度較高， 巖層穩(wěn)定性差； 其中右CRDK-1+084~右CRDK-1+135m 里程段可能有一定的含水性。

（4）電阻率成像法在隧道超前探中應(yīng)用良好，對(duì)于低阻體和含水體反應(yīng)較為靈敏。