高密度在隧道地質勘察中的應用研究

宋耀輝

（貴州新生代建材地質工程勘察院有限公司 貴州貴陽 550008）

引言

南水北調工程中有許多隧道工程，物探作為一種經濟快速的方法在隧道的勘察中具有重要作用，可查明覆蓋層厚度、下伏基巖而埋深及起伏形態、構造破碎帶等不良地質體的規模位置等，為隧道設計施工提供必要依據[1～2]。

對于隧道深度達到一定程度的大型工程來說，為保證埋設施工的準確性，則可以采取用音頻大地電磁法進行地形、地質勘測，也可以利用可控源大地電磁法進行復驗[3～4]，相比較來說，大地電磁法并不適用于深度較淺的隧道勘察，分辨率的降低將使得工程施工存在一定的風險，相對效果較好的地震法卻需要大量的成本投入，且無法應對多山地區隧道勘驗，因此，在一定深度的隧道施工勘驗方面，高密度電法有著更為廣闊的適用范圍[5]。

本文以南水北調水利工程中的隧道施工項目為研究對象，分析高密度電法在實際使用中的技巧與注意事項，在數據的支撐下，能夠對中大深度勘驗過程中的低阻異常區域進行鎖定，明確地質異常的具體因素，為后期隧道施工工藝的設計與調整提供依據。

1 高密度電法簡介

1.1 方法原理

所謂高密度電阻率法，是指利用物體的導電性差異，在人工施加穩定電流作用的情況下，獲取不同區域電流數據的變化情況，以此作為評估地下相關情況的依據[6]。近幾十年來，高密度電阻率法在大量工程中的實踐應用表明，該方法在判定地質情況方面有著較高的準確率，對區域地下資源開發、工程建設施工有著重要的作用[7～8]。

1.2 測量裝置

此次針對中大深度地質勘驗的數據采集實驗電壓為300V，在確保安全的情況下，采取單邊三電極排列的形式，相鄰電極的最小距離應≥5m。此設計能夠實現對變斷面地質結構的連續勘測，在實際測量過程中，B點相對于A點距離無窮大，在N、M保持固定的情況下，隨著A點的移動，由左至右進行直線連續測量；然后，N、M、A同時在這一直線上向右移動一個電極的位置，同樣保持N、M不動，繼續移動A點，由左至右進行直線連續測量，經過多次重復測量，得到測量區域的矩形斷面。具體過程如圖1所示。

圖1 三極觀測系統示意圖

2 區域地質地球物理特征

2.1 區域構造

工程區大地構造單元位于中朝準地臺內的汾渭斷陷盆地及秦嶺褶皺系內的北秦嶺褶皺系。區內主要構造有：口鎮-官池斷裂帶、關中北山山前斷裂、新集川-岐山-啞柏斷裂、八渡-虢鎮-鐵爐子-三要斷裂、油房溝-皇臺斷裂、唐藏-商南斷裂。地質構造環境復雜，屬區域構造穩定性較差的地區。

2.2 地層

工程區主要跨越中低山、渭河斷陷盆地及黃土臺塬三大地貌單元。主要出露太古界太華群、前震旦系寬坪群變質巖、燕山期花崗巖、第三系沉積巖及第四系松散堆積層。

2.3 巖性

此次隧道施工工程的位置在秦嶺北側山麓，特殊的地質結構導致該區域存在大量的花崗巖，除此之外，在秦嶺主脊位置還存在著一定區域的混合巖類巖石，在長期的物理和化學作用下，形成了組成較為復雜的混合花崗巖石，因此，這也不難解釋勘驗區域內的花崗巖類型呈現出明顯的時空分布規律。總體來看，秦嶺地區的長期地質遷移方向屬于西強東弱的形式，秦嶺北段的侵入活動較為明顯。經過多次反復測量之后，該地區巖石電阻率的結果如表1所示。

表1 幾種巖石電阻率值的分布范圍

根據表1的內容可以發現，其中電阻率較高的巖石為火成巖，位于第三系沉積巖的軟頁巖、硬頁巖、砂巖電阻率偏低，基于這一特點的存在，使得高密度電法能夠在此次地質勘驗中使用，并將得到較為準確的勘驗結果。

3 資料處理結果及解釋

以明流方案9#隧洞-175～350m受水區（圖2）與耿峪河3200～3700m受水區（圖3）為說明對象，在該段布設了高密度電法剖面。為確保勘驗結果的準確性，在確定剖面時，將其位置設定為第四系松散層，該區域巖石電阻率偏低，多為碎石壤土，且以下位置基巖的導電率偏低，有利于地質勘驗工作的開展。

3.1 9#隧洞0-150-0+350受水區電阻率剖面解釋

根據實地勘驗的結果，該區域地表淺層多以洪積推機物為主，其中包含一定數量的卵石，層系導電率較高，以花崗巖為主要成分的基石起到了絕緣的效果，從勘測數據的縱向剖面圖2（a）可以看出，隨著勘驗深度的增加，電阻率也在隨之增加，基于地表淺層中的卵石因素影響，淺層電阻率也會出現陡增的現象，這一情況對實際勘測并無較大影響，較明顯地反映了基巖上覆松散卵石層電性特征；樁號-175～-150m、-40～-10m、75～110m、170～220m、325～350m 處有多個低阻異常分布，電阻率值在100Ω·m以下，根據異常特征推斷認為，低阻異常區為巖層裂隙發育區域，其富水性較好。將分界線確定為電阻率有低變高的梯度帶上，水位線確定為表層電阻率降低的梯度帶上，解釋圖見圖2（b）。

圖2 9#隧洞-175～350m高密度電法剖面圖

3.2 耿峪河3200～3700m受水區電阻率剖面解釋

解釋同上，樁號 3225～3290m、3400～-3520m、3600～3700m 處有多個低阻異常分布，電阻率值在100Ω·m以下，根據異常特征推斷認為，低阻異常區為巖層裂隙發育區域，其富水性較好。將地層分界線確定為電阻率有小變大的梯度帶上，水位線確定為表層電阻率降低的梯度帶上，解釋圖見圖 3（b）。

圖3 耿峪河3200～3700m高密度電法剖面圖

在后期使用鉆探法驗證，其結果跟物探推斷成果吻合。

4 結論

運用高密度電法，較好地反映了隧道巖分布，構造破碎帶、富水帶及巖溶的分布，并在后期的鉆孔得到驗證，為隧道的進一步勘察設計提供了可靠的依據，說明高密度電法在隧道不良地質體勘察中具有較大的優越性。

在隧道勘察中，合理運用高密度電法，有效的降低了鉆探的盲目性，提高了工作效率，降低了勘探成本。

由于高密度電法是對地下介質的綜合反映，加之電阻率的影響因素眾多，再加上地質因素的復雜性和地球物理解釋的多解性，推測結果可能與實際有所偏差，因此在隧道勘察中應結合多種勘察手段，可以有效提高勘探精度，但作為一種快速，經濟的勘探方法，高密度電法在隧道勘察中可以進一步推廣。

[1]李銀真.高密度電阻率法物探技術及其應用研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2006.

[2]鄧居智，李紅星，楊海燕，等.高頻大地電磁法在長深隧道勘察中的應用研究[J].工程勘察，2010（9）：85～89.

[3]趙虎，王玲輝，李瑞，等.2014大電磁測深法在高原特長隧道勘查應用研究[J].地球物理學進展，29（5）：2472～2478.

[4]陳玉玲，韓凱，陳貽祥，等.2015可控源音頻大地電磁法在巖溶塌陷勘察中的應用[J].地球物理學進展，30（6）：2616～2622.

[5]李澎，王山山，等.2004淺層地震反射方法在工程物探中的應用[J].物探化探計算技術，26（3）：227～230.

[6]嚴加永，孟貴祥，呂慶田，等.高密度電法的進展與展望[J].物探與化探，2012，36（4）：576～584.

[7]李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005.

[8]趙光輝.高密度電法勘探技術及其應用[J].礦產與地質，2006，20（2）：166～168.