地鐵勘察中電阻率的測試方法

孔憲和

摘要：電阻率原位測試通常有二種方法，一是在地面進行，采用對稱四極法，另一種在工勘鉆孔中進行，即電阻率測井。本文論述了各自的準確性和適宜性。

關鍵詞：地鐵;電阻率;對稱四極電測深;測井

一、概述

大地電阻率是地鐵工程接地計算中的必要參數，直接影響接地裝置接地電阻的大小、地面電位分布和跨步電壓，為了合理設計接地裝置，必須對大地進行電阻率測試。

電阻率測試通常有二種方法，一是在地面進行，采用對稱四極法，另一種在工勘鉆孔中進行，即電阻率測井。前者地面測試需要較長的地面電性均勻的場地，而地鐵勘察通常在城市建筑物密集區域，難以滿足測試要求，影響測試精度;后者在施工后的鉆孔中進行，鉆孔較淺，測試精度受低阻鉆井液的影響較大。本人通過在南京、蘇州等地鐵勘察電阻率測試中對地面和鉆孔電阻率測試數據進行對比，分別確定了地面和鉆孔電阻率測試數據各自的準確性和適宜性。

二、測試方法的選擇及數據解釋

1、地面測試

在地面場地條件允許的條件下，結合工勘鉆孔資料地層電性層簡單，選擇地面對稱四極電測深法方便易行，施工不必等候鉆孔，一天可測試多個場地，一般地鐵開挖深度在30米左右，電測深最大AB/2為勘察深度的2倍，電極距見下表。

電測深電極距表

AB/2（米）

3

5

7

10

15

22

34

50

70

MN/2（米）

0.5

0.5

0.5

0.5

3

0.5

3

3

3

3

3

測量結果繪制成雙對數電測深曲線，結合工勘鉆孔劃分的電性層進行解釋，電性層簡單可以可以通過量板定量解釋，稍復雜可以通過電腦軟件正、反演定量解釋，均可獲得目的地層較精確的電阻率值。

2、鉆孔測試

如地面場地條件不理想，則易在工勘鉆孔中進行。在鉆孔測試電阻率要受到井眼、圍巖、層厚、泥漿（沖洗帶、侵入帶）及測井儀器本身等多因素的影響。

⑴電阻率測井探測深度

電阻率測井探測深度是指探測器的橫向探測深度，對于普通電阻率測井來說，以供電電極為中心，以某一深度為半徑的球面內包含的介質對測量結果貢獻為50%時，此半徑為探測深度。

梯度電極系：探測半徑為1.4。如：M2.25A0.5B表示雙極供電正裝梯度電極系，其中L=2.5m，探測深度3.5m;

電位電極系：探測半徑為2。如：A0.5M2.25N表示單極供電正裝電位電極系，其中L=0.5m，探測深度1.0m。

⑵電阻率測試的影響因素

①電極系的影響

不同的電極系測得的視電阻率曲線不同，即使對相同電極系來說，盡管地層模型相同，測量條件相同，如果電極距不同，得到的曲線也會有較大差別。

根據普通電阻率測井的探測深度定義可知，電極距不同也就是說它的探測深度不同，受到井眼和圍巖的影響也就不同。探測深度小，受井眼影響較大，受圍巖的影響較小，測得的視電阻率曲線幅度較低（對高阻層來說）;探測深度大，井眼的影響相對減弱，而圍巖的影響又逐漸增大，降低了曲線的分辨率，也會給目的層測得的視電阻率曲線造成較大影響。

因此，選用的電極系電極距不能太大也不能太小。

②井的影響

由于井內泥漿電阻率比剖面上高阻巖層的電阻率低得多，從而對電極系供電電極造成的電場分布起分流作用。主要有以下兩個方面：

井徑的影響：井徑越大，探測范圍內低阻泥漿越多，對測量結果影響越大，視電阻率越低;

井內泥漿電阻率的影響：泥漿電阻率低時，由于分流作用增強，也使得視電阻率曲線幅度降低。

③圍巖和層厚的影響

電極系選定后，電極距一定。滲透層（地層）厚度不同，視電阻率曲線也會出現差異。地層薄，低阻圍巖的影響就會加大，視電阻率曲線值幅度偏低。

④侵入影響

泥漿侵入造成滲透層徑向電阻率分布的變化，出現了沖洗帶、過渡帶和原狀地層，井壁還有泥餅的存在。

沖洗帶：巖層孔隙中的地層水全部被泥漿濾液取代，電阻率用RXO表示;

過渡帶：巖層孔隙中的地層水部分被泥漿濾液取代;

原狀地層：未受到泥漿的影響。

⑶視電阻率曲線的解釋

梯度電極系探測深度大，受鉆井液影響小。因此，測試電阻率宜采用梯度電極系，本文討論梯度電極系曲線。

①梯度電極系理論曲線

電測井理論公式

由于理想梯度電極系（或）為無窮小，此時M、N（或A、B）和記錄點O合為一點，視電阻率公式可寫為：

其中Eo是記錄點O處沿井軸方向的電勢的梯度，令，且有，則視電阻率公式為：

Ro為記錄點O所在處的介質的真電阻率，jo為記錄點O處的實際電流密度。

由公式可以看出，在測量條件不變的情況下，所測的視電阻率值與記錄點處的實際電流密度、記錄點所在介質電阻率成正比。

圖1? 底部梯度理論曲線

下面由圖1來說明電極系在井中提升的過程中，視電阻率的變化。設一高阻層，其電阻率為，厚度為，上下圍巖相同，電阻率為，忽略井的影響。第一階段，在下部圍巖離高阻層較遠處，相當于電極系在電阻率為Rs的均勻介質中，視電阻率測量結果不受高阻層的影響，因此為一直線，Ra=Rs，到a點為止;

第二階段，儀器上升到離高阻層較近時，Ra受到高阻層的影響，對電流有排斥作用，使記錄點處的實際電流密度增加，此時jo>joj，并且越靠近高阻層，jo呈上升趨勢，所以Ra值增大，到達高阻層底界面時，電阻率到達b點;

第三階段，儀器上升到記錄點離高阻層一倍電極距以內時，A電極流出的電流在界面法向上連續，Ra值只與界面兩端的介質的電阻率有關，，直到記錄點進入高阻層，得到曲線bc段;

第四階段，記錄點進入高阻層以后開始一段時間內，記錄點處的介質

電阻率突然由Rs增至Rt，并且由于下面圍巖的電阻率較低，對電流有一定的吸引作用，因此記錄點處的實際電流密度jo要大于joj，由公式看出，Ra>Rt，因此在界面處形成了視電阻率極大值，即曲線的cd段，故極大值可確定地層界面;

第五階段，隨儀器的上升，Ra受下部圍巖的影響逐漸減小，Ra也逐漸減小至高阻層實際電阻率Rt止，曲線到達e點;

第六階段，在高阻層內遠離上下圍巖的一段距離內，Ra保持不變，為高阻層的實際電阻率值。

第七階段，隨儀器的上升，Ra逐漸受到上部圍巖的影響，使jo減小，Ra逐漸變低。

第八階段，記錄點上升到離上界面一倍距離內，視電阻率值保持不變，且主要受到上下介質電阻率的影響為直到記錄點到達上界面處。

第九階段，記錄點進入上部圍巖，此處的電流由于受到高阻層的影響，實際電流jo較joj小，且記錄點處的介質電阻率突然由Rt變為Rs，因此曲線急劇下降到i點，且Rt

第十階段，記錄點遠離高阻層而不受其影響，此時Ra為一直線段值Rs。

這是底部梯度電極系在較厚縱向階躍介質視電阻率曲線特征的理論依據，由極大和極小值點可以確定高阻層的底界面和頂界面深度;而頂部梯度電極系視電阻率曲線具有相反的特征。

②巖層視電阻率讀取方法

高阻厚層：取視電阻率曲線中間的平直部分的平均值。

中等厚度的高阻層：去掉屏蔽區取面積平均值法，在底部梯度電極系視電阻率曲線上，在高阻層內距頂界面一個電極距范圍內，視電阻率值低，這個范圍叫盲區或屏蔽區。讀數時去掉這部分，找一條與井軸平行的直線與視電阻率曲線相交，使得視電阻率曲線在交點兩側與直線圍成的面積相等。

三、結論與認識

1、在地鐵勘察中的電阻率測試的方法根據場地條件采用地面電測深法或者電測井法。

2、地面電測深法方便、費用相對低，在場地條件許可，地性層簡單情況下優先采用。

3、采用工勘鉆孔電測井法，應采用梯度電極系，如M2.25A0.5B雙極供電正裝梯度電極系探測深度達到3.5m，基本反映原狀地層的電阻率。

參考文獻：

[1]傅良魁主編：1991年，應用地球物理教程[M]，地質出版社

[2]尉中良、鄒長春編著：2005年，地球物理測井[M]，地質出版社