高密度電法在炸山嘴隧道勘探中的應用

余燦鑫

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，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用

余燦鑫

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

斷層是一種破壞巖體連續性和完整性的不良地質體，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，時常造成地面崩塌。對不良地質體進行準確判斷是保證隧道施工安全進行的前提條件。以炸山嘴隧道為例，采用高密度電阻率法對隧址區的異常特征進行了研究。結果表明，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。為隧道設計與施工提供了準確可靠的地質資料。

隧道；地質勘探；不良地質體；地下含水層；高密度電法；判斷

1 工區地質—地球物理特征

炸山嘴隧道隧址區內，構造單元屬于昆侖秦嶺地槽褶皺區走廊過渡帶六盤山復背斜北祁連加里東地槽褶皺帶靖遠疊坳陷。走廊過渡帶，北接阿拉善臺隆，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—六盤深斷裂與鄂爾多斯西緣拗陷帶相鄰。該帶在前震旦紀即已形成，加里東運動和印支運動為主要褶皺期。六盤山復背斜西以六盤山西麓大斷裂為界，北界于煙筒山及羅山南端，東至龍首-六盤深斷裂，南延至甘肅境內。本區基底可能為中—上元古界和下古生界，自晚古生代至侏羅紀屬長期隆起區。燕山末期運動使本區褶皺隆起，形成北西向寬緩的復式褶皺，并且伴隨斷裂運動。喜馬拉雅運動在燕山末期運動的基礎上產生斷塊的升降運動。

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

對于隧址區的地球物理特征而言，隧址區內的幾種主要介質巖體電阻率存在明顯差異，表層的黃土和粉質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千Ω·m，砂巖的電阻率范圍為幾十至1 000 Ω·m，可見隧址區內地層電阻值存在明顯差異，存在良好的地球物理條件，采用高密度電法進行勘探具備較強的可行性，能夠取得良好的探測效果。

2 探測技術實施

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之間的電性差異，通過供電電極向地下供電來建立穩定的電流場，然后再利用測量電極記錄電流場的分布情況，從而達到查明地下地質問題的目的[1-3]，因此高密度電法在探測電性不均勻體方面能夠取得良好的效果。技術人員通過預先布置好的電極，利用電極轉換器和多功能電測儀，根據測區的地質情況和地球物理條件選擇合適的電極排列裝置和測量參數[4]，實現實時、高效、自動化的數據采集過程，避免了由于人為誤操作引起的數據錯誤。

高密度電法具備電剖面法和電測深法各自的優點，不僅可以同時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行掃描測量，根據不同排列裝置的特點來解決不同的地質問題。在數據處理方面[6]，可以利用專業軟件對采集的數據進行剔除畸變點、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。

測量儀器選用的是重慶奔騰數控技術研究所生產的WDJD-3多功能數字直流激電儀和WDZJ-3多路電極轉換器。為滿足勘探任務需求，同時使用兩臺多路電極轉換器，一共連接120根電極，最小電極距設置為5 m，以此加大勘探深度，達到查明工區深部電性特征的目的。通過試驗對比不同排列裝置的測量效果[7]，發現α裝置(即溫納裝置)的測量結果分層性好，分辨率較高，故選用α裝置作為本次物探的主要測量裝置。

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

圖1　工區測線布置圖

數據接收與格式轉換采用的是BTRC2004軟件，反演采用的是瑞典的Res2dinv軟件。數據處理流程為：首先將沿隧道軸線的多條測線段的數據進行拼接，然后將數據格式轉換成能夠被反演軟件識別的格式，再對數據進行剔除壞點、地形校正等預處理，最后經過最小二乘反演得到電阻率成像剖面圖。依據資料解釋原則，結合工區的地質資料，對電阻率成像剖面圖進行解譯，繪制地質解譯剖面圖。

3 成果分析

3.1 左線探測

如圖2所示，ZK23+610～ZK24+030測線段(圖2中為23 610～24 030)，根據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。第1層覆蓋層以黃土和粉質粘土為主，電阻率較高，數值介于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，以全風化泥巖和強風化泥巖為主。在ZK23+890～ZK24+030測線段覆蓋層和強風化泥巖層之間還存在一強風化砂巖層，電阻率介于兩者中間。第3層地層與下第三系漸新統清水營組地層吻合，巖性以中風化泥巖為主。

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

ZK24+030～ZK24+600測線段，根據電性特征可大致分為四層。覆蓋層為第四系覆蓋物，主要由粉質粘土和黃土夾碎石塊組成，電阻率較高，數值介于150～380 Ω·m之間，厚度在4～15 m左右。第2層巖性以全風化礫巖層和強風化礫巖為主，電阻率介于200～1 000 Ω·m之間，比覆蓋層電阻率高，與地質資料的下第三系漸新統寺口子組吻合，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，推測此層為強風化泥巖，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，與白堊系下統乃家河組地層吻合，巖體以中風化鈣質泥巖夾泥灰巖為主。在ZK24+570處有一山溝，由圖可見，溝下方電性呈高阻反映，與地質資料下第三系漸新統寺口子組地層吻合，巖性主要為礫巖。

ZK24+600～ZK24+850測線段，根據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清水營組泥巖和砂質泥巖。第3層為一高阻層，電阻率介于166～900 Ω·m之間，與下第三系漸新統寺口子組吻合，推測為礫巖層，厚度約為15～25 m。

異常推斷如下：

異常Ⅰ，ZK23+780～ZK23+850測線段有一低阻異常區，電阻率值介于3～15 Ω·m 之間，地質資料顯示該處巖性主要為強風化泥巖，推測低阻異常是由泥巖含水所引起。

異常Ⅱ，ZK23+910～ZK24+000測線段有一大塊低阻異常，電阻率值介于1～15 Ω·m之間，結合地質資料推測為下第三系漸新統清水營組，泥巖含水所致。

異常Ⅲ，ZK24+020～ZK24+050測線段，高程2 100～2 040 m左右兩側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，故推測該處為斷層。

異常Ⅳ，ZK24+090～ZK24+410測線段，高程約2 060 m處，電阻率值較低，數值介于8～150 Ω·m之間，巖性主要為白堊系下統乃家河組的強風化泥巖，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。結合地質資料，該測線段為老第三系漸新統清水營組，巖性以砂巖、砂質泥巖為主。推測可能是泥巖含水致其呈低阻異常。

3.2 右線探測

如圖3所示，YK23+050～YK23+980測線段(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，與白堊系下統乃家河組吻合，巖性主要為全風化泥巖。第3層電阻率介于10～400 Ω·m之間，巖性主要為強風化泥巖、砂質泥巖。第4層的巖性主要為鈣質泥巖夾灰巖，電阻率介于200～1 000 Ω·m之間。

YK23+980～YK24+800測線段，可分為三層。第1層地表電阻率較高，介于100～400 Ω·m之間，推測為第四系覆蓋層，主要由粉質粘土和黃土組成，厚度為5～20 m。第2層為一高阻層，電阻率介于400至數千Ω·m，與地質資料下第三系漸新統寺口子組吻合，巖性主要為泥質礫巖，砂礫巖，厚度從10～50 m不等。第3層電阻率較低，在100 Ω·m以內，與白堊系下統乃家河組吻合，巖性主要為砂質泥巖，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，結合工區現場情況，由圖中所圈定的Ⅰ′號異常推斷高阻異常均由窯洞引起。

異常Ⅱ′，YK23+325～YK23+890測線段，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′號異?？赏茰yYK23+325～YK23+890測線段下方存在富水層，左線(ZK線)Ⅰ號異常和Ⅱ號異常與右線(YK線)的Ⅱ′號異常所處深度位置較為一致且兩條測線線距不大，推測可能為同一含水區域。

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

異常Ⅳ′，YK24+435～YK24+460測線段，高程約2 050 m處電阻率較低，數值介于10～80 Ω·m ，推測低阻異常由泥質礫巖破碎后含水所引起。

4 效果驗證

圖4為隧道洞(進)口橫向測線的反演斷面圖，圖中標注了隧道洞口左右兩處低阻異常，其中的Ⅱ″號低阻異常與左線ZK23+735～ZK23+845段(如圖2所示)以及右線YK23+325～YK23+890段(如圖3所示)下方的低阻異常區由同一低阻體引起，低阻層厚度約20 m，推測為一富水層。結合區域工程地質資料分析，這兩處低阻異常均為泥巖含水所致。低阻異常區域恰位于進洞口兩側，極易發生透水，引發邊坡失穩、崩塌，隧道施工中存在嚴重的安全隱患。在隧道后期開挖過程中，此兩處均出現不同程度的透水，與反演斷面圖中電性異常區域響應一致，基本證實了此測線段反演成果圖的可靠性。

圖4 A4合同段左線(ZK線)隧道進口電阻率成像橫剖面圖

5 結束語

利用高密度電法基本上查明了工區巖性變化、含水層和富水帶的分布情況，并且得到了工區鉆探資料對物探解釋的支持，為接下來開展隧道工程提供了可靠的工作依據及資料。即使在地質條件復雜的區域下探測近百米內的地質情況，高密度電法仍能較好地反映不良地質體的電性特征和空間展布，充分反映其較大的優越性、較廣的實用性和較高的準確性，從而產生較好的經濟效益和社會效益。結合高密度電法在隧道勘察及其他工程中的成功應用，總結其特點如下：

(1)不同于鉆探等勘探方法，高密度電法物探資料具有連續性，可以反映出測線范圍內任意一點的地質情況，勘探更為高效，結果更為全面。高密度電法具備測量效率高、勘探成本低、探測精度高、成果直觀等優點，能夠在隧道工程勘察中進一步推廣應用。

(2)根據工區地形、地質、地球物理條件，合理布置測線，通過試驗等方式選擇合適的排列裝置和測量參數，嚴格按照規范開展勘測工作，采集到高質量的數據。在反演與解譯時，應具體問題具體分析，結合工區的地質資料和前期成果，對異常進行分類劃分，分析引起異常的地質因素，提高推斷解釋的科學性和準確性。

(3)由于利用單一物探方法進行解譯會存在多解性，應用效果將無法完全滿足勘探任務的要求，所以在隧道勘察的過程中應結合多種探測方法，加強對重點區域的探測，盡可能全面準確地查明區域內的地質災害情況，取得最佳的勘探效果。

[1]張 勝,韓許恒,李秉強,等.高密度電法在采空區勘測中的應用[J].災害學,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穩定性評價中的應用[J].災害學,2007,22(2):77-81

[3]燕艷朋，王運生.高密度電法地表探測在隧道施工地質預報中的應用[J].現代隧道技術，2011,48(3):128-131

[4]羅 術,孫茂銳.高密度電法在公路大長隧道勘察中的應用[J].工程地球物理學報,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測效果比較[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用[J].工程地球物理學報,2012,9(6):750-754

[7]肖宏躍,雷行健,雷 宛.高密度電阻率法延時性勘探在地質災害監控預警中的應用[J].災害學,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管理工作。153473478@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.020

U452.11

B

1672-3953(2016)05-0074-05