高密度電法在鐵路工程隧道勘察中的應(yīng)用

董韜

摘? 要：在山區(qū)鐵路隧道工程中，斷層破碎帶對(duì)鐵路設(shè)計(jì)影響重大，對(duì)設(shè)計(jì)專業(yè)也提出了更加嚴(yán)格的要求，因而準(zhǔn)確劃分出破碎帶的深度與范圍是非常必要且必須的。但是常規(guī)勘探手段代價(jià)高昂且耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，并不適用于大規(guī)模山區(qū)作業(yè)。因此選擇合適的物探手段至關(guān)重要。高密度電法是以土、水、巖、礦石等不同介質(zhì)之間電阻的率差異為基礎(chǔ)，用以查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下不均勻電性體的地球物理方法。高密度電法具有采集數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)觀測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此在查明地下破碎帶中擁有良好的探測(cè)效果。本文介紹了高密度電法在安慶市某鐵路隧道破碎帶調(diào)查中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：破碎帶? 高密度電法? 鐵路工程? 隧道? 地質(zhì)勘察

中圖分類號(hào)：U452.1 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0012-03

Application of High Density Electrical Method in Railway Tunnel Investigation

DONG Tao

（China Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd.， Shanghai， 200070 China）

Abstract： In mountain railway tunnel engineering， fault fracture zone has a great impact on railway design， which also puts forward more strict requirements for design specialty. Therefore， it is important and necessary to accurately find out the depth and scope of fracture zone. However， conventional exploration methods are expensive and time-consuming， which is not suitable for large-scale mountain survey. Therefore， it is very important to select the appropriate geophysical prospecting means. High density resistivity method is a geophysical method based on the difference of resistivity between different media such as soil， water， rock and ore. It is used to find out the underground geological structure and find the underground inhomogeneous electrical body. High density electrical method has the advantages of large amount of data acquisition and high precision of data observation， so it has good detection effect in identifying underground fracture zone. This paper introduces the application effect of high density electrical method in the investigation of broken zone of a railway tunnel in Anqing city.

Key Words： Fracture zone; High density electrical method; Railway engineering; Tunnel; Geological survey

在鐵路工程實(shí)踐中，地下普遍存在著諸多影響地基穩(wěn)定的不良地質(zhì)現(xiàn)象。由于鐵路是線狀工程，因此經(jīng)常會(huì)遭遇斷層破碎帶這一不良地質(zhì)現(xiàn)象。這種不良地質(zhì)現(xiàn)象會(huì)給鐵路路線的合理布局、工程設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)困難，由于斷層破碎帶深埋地下，一旦斷層發(fā)生活動(dòng)，會(huì)對(duì)建筑物的穩(wěn)定和正常使用造成危害[1]。目前鐵路工程中常用于斷層破碎帶探測(cè)的地球物理方法主要包括高密度電法、地震映像法、瞬變電磁法等方法[2-4]。高密度電法在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，電極布設(shè)一次完成，采集數(shù)據(jù)后即可對(duì)剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。該方法所測(cè)得的測(cè)點(diǎn)數(shù)量大、所獲得的電性信息豐富、探測(cè)的精度較高、工作效率高。通過(guò)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換裝置可以對(duì)斷面進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄，同時(shí)由于數(shù)據(jù)包含了豐富的地電信息，能較直觀地反映出斷面電性異常體的形態(tài)、產(chǎn)狀等特征[5]。劉猛等研究了高密度電法在探測(cè)斷層破碎帶等方向的應(yīng)用，結(jié)果表明效果較好[5-7]。根據(jù)前人的實(shí)踐證明，高密度電阻率法是查明斷層破碎帶的一種有效手段[7]。本文以實(shí)際安慶市某鐵路工程隧道為案例，通過(guò)高密度電法有效判定了斷層破碎帶的位置，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。

1? 工程地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

本工程位于安徽省安慶市，隧道穿越構(gòu)造中山區(qū)，地勢(shì)高低起伏，山峰與山間沖溝及谷地相間分布，局部地勢(shì)落差較大，地面高程一般在300～1260m之間，隧道最大埋深750m。表層為第四系全新統(tǒng)耕植土，進(jìn)出口及丘谷地帶分布有上更新統(tǒng)的碎石土;下伏基巖巖性主要為前震旦系大別山群水竹河組斜長(zhǎng)片麻巖，大別山群英山溝組二長(zhǎng)片麻巖，大別山群斜長(zhǎng)片麻巖。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和工區(qū)地球物理反演結(jié)果分析：斷層破碎帶的反演電阻率范圍為800～1500Ω·m;節(jié)理裂隙較發(fā)育片麻巖的反演電阻率范圍為1500～3000Ω·m;片麻巖的反演電阻率范圍為3000～5000Ω·m。斷層破碎帶與片麻巖之間存在一定的電性差異，因此工區(qū)具備開展高密度電法的地球物理勘探前提條件。

2? 方法原理

2.1 高密度電法原理

高密度電法是一種陣列式電阻率測(cè)量方法，它以導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)分析電場(chǎng)分布變化的規(guī)律為解決地質(zhì)問(wèn)題提供依據(jù)，其基本原理與傳統(tǒng)的直流電阻率法相同[8]。在查找斷層破碎帶方面，其電阻率較圍巖往往相差較大，電性異常反映明顯，該法能夠取得較好的地質(zhì)勘查效果[9]。

2.2 使用儀器

高密度電阻率法測(cè)量?jī)x器使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，野外數(shù)據(jù)采集采用溫納裝置[10]。本次勘探電極間距8m，最大隔離系數(shù)為30。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)保證電極接地電阻小于1000Ω，采用大電流供電，確保野外數(shù)據(jù)質(zhì)量[11]。

3? 資料解譯與推斷

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于個(gè)別電極接觸不好或其它各方面的干擾，會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些異常突變點(diǎn)，進(jìn)而造成電阻率反演圖的顯示異常，難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確解譯，因此必須剔除數(shù)據(jù)斷面中的虛假點(diǎn)或突變點(diǎn)。同時(shí)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，可能會(huì)受到一些隨機(jī)噪聲的影響，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期檢查并采用數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均方法進(jìn)行處理[12]。高密度電法主要采集的參數(shù)為視電阻率，繪制成果圖為高密度視電阻率等值線圖。通過(guò)研究等值線斷面圖的電性特征推斷層破碎帶的空間位置。

3.2 剖面解譯與鉆孔驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此次高密電法資料解譯的可靠性，在物探解譯為斷層破碎帶的位置布置了鉆孔1個(gè)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 解譯成果

從圖1可見，隧道洞身兩側(cè)0～460m和820～1200m段電阻率值由兩側(cè)向內(nèi)部逐漸降低，范圍值約1500～5000Ω·m;460～820m段電阻率較兩側(cè)相比顯著降低，電阻率值約為800～1500Ω·m，電阻率等值線呈向下延伸低阻條帶，整體顯示電性各向異性明顯，分析該段地層受構(gòu)造作用影響強(qiáng)烈，為斷層破碎帶，巖體破碎、富水。

3.2.2 鉆孔驗(yàn)證

在圖1中600m位置處布置了一個(gè)鉆孔，鉆孔資料顯示，0～12.0m為全風(fēng)化斜長(zhǎng)片麻巖;12.0～38.0m為斷層破碎帶;38.0～90.0m為弱風(fēng)化斜長(zhǎng)片麻巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育;90.0～121.5m為斷層破碎帶;121.5～136.0m為弱風(fēng)化斜長(zhǎng)片麻巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。見圖2，結(jié)果表明與物探解譯成果相符。

4? 結(jié)語(yǔ)

在斷層破碎帶探測(cè)過(guò)程中，運(yùn)用高密度電法，對(duì)斷層破碎帶的準(zhǔn)確位置、斷層帶寬度以及延伸，斷層帶巖體的破碎程度以及富水狀況進(jìn)行了探測(cè)。并通過(guò)鉆孔進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與解譯成果相符。高密度電法成果解譯圖可形象地反映出所探測(cè)體的電性分布形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，可以較為準(zhǔn)確地推斷出斷層破碎帶位置、埋深等參數(shù)，與鉆探結(jié)合使用，可以大大減少鉆探工作量。該法解譯的破碎帶深度與鉆探揭露的深度雖然有一定差異，但總體上是比較準(zhǔn)的，證明了高密度電法在斷層破碎帶方面是有效可行的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李天雨.綜合地質(zhì)勘察在貴廣線三都隧道中的應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[2] 張文鑫.AMT在山區(qū)隧道地質(zhì)勘察中的研究與應(yīng)用[D].成都：成都理工大學(xué)，2019.

[3] 鄭龍金，羅海權(quán)，鄒磊，等.綜合物探法在浙西地區(qū)擬建隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2020（5）：678-683.

[4] 劉亮紅，劉亮.綜合物探方法在隧道工程勘察中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2019（26）：132-134.

[5] 劉猛，徐健楠，湯斌峰.高密度電法在城市軌道交通工程隱伏斷層探測(cè)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2016（5）：78-80.

[6] 龔旭亞，涂運(yùn)中.多種勘察技術(shù)在馬巒山隧道斷層勘察中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2018（4）：164-169.

[7] 周琛杰.高密度電法與AMT在斷裂構(gòu)造調(diào)查中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2017（3）：300-307.

[8] 余長(zhǎng)恒，張旭林，王強(qiáng)，等.高密度電法在巖溶勘查中的參數(shù)試驗(yàn)——以四川南部宜賓市長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)為例[J].礦產(chǎn)勘查，2020，11（9）：1986-1992.

[9] 林士寶，吳榮新，胡富彭，等.高密度電法對(duì)地形起伏條件下的巖溶發(fā)育探測(cè)研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2020，17（4）：478-483.

[10] 楊力.高密度電法和地震映像法在巖溶勘察中的應(yīng)用研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2018.

[11] 葉益信，杜家明，薛海軍，等.高密度電法與音頻大地電磁法在城市輸水隧洞勘察中的應(yīng)用[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020，42（6）：767-775.

[12] 陳松，龐凱旋，陳長(zhǎng)敬，等.基于音頻大地電磁測(cè)深和高密度電法的城市隱伏斷裂聯(lián)合探測(cè)[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2020，17（4）：470-477.