直流電測深法在張呼客運專線變質巖隧道勘測中的應用

曾祥福 張 強

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

直流電測深法在張呼客運專線變質巖隧道勘測中的應用

曾祥福 張 強

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

張家口至呼和浩特客運專線主要以6個短隧道群穿越張家口市與興和縣交界處的低山丘陵區，地形起伏較大，沖溝發育，區域內主要發育太古界變質巖麻粒巖。受多期構造影響，地質條件較復雜，為全線控制性工程，部分段落地形條件惡劣，鉆探受到限制。為查清隧道工程地質條件和水文地質條件，隧道勘測中采用了直流電測深法，探測了地下巖體的風化界線埋深、巖體完整性和地下水發育情況，并對個別物探測點進行了鉆探驗證。

客運專線 直流電測深 隧道勘測 變質巖 麻粒巖

我國中西部客運專線大部分需橫穿較大山脈，往往以隧道形式通過，隧址區地形條件一般較為復雜。隧道工程地質勘測過程中，由于地形起伏大、搬運鉆機周期長、費用高、鉆機成孔周期長，以及勘探工作量大、工期緊等條件限制，單一采用鉆探往往難以滿足任務要求[1]。如果隧道深埋，就需要布置深孔鉆探，使得隧道勘測遠滯后于整個地質勘察[2]。因此，迫切需要簡單的物探方法獲取下伏地層情況。電測深法是物探的一種， 可用于測定基巖埋深，劃分松散沉積層和基巖風化帶，測定潛水面深度和含水層分布，探測隱伏斷層、破碎帶、地下洞穴、地下或水下隱埋物體[3]。

國內學者對電測深研究頗多，如阮百堯等[4]通過公式推導出最佳供電極距為AB/8；而鐘世航[5]研究了電測深應用于淺層(<10 m)地質勘查，得出電測深劃分地層時深度誤差在一般在5%內(個別達到10%)的結論；王巍等[6]則應用電測深在花崗巖中找水，并通過鉆探對比分析得出地下水位埋深反映為曲線平直段的尾部位置；趙文星[7]、劉劍飛[8]均將電測深方法應用于普速鐵路隧道勘測；劉金濤等[9]則應用電測深法找黃鐵礦。由于電測深物探方法的技術經濟性，筆者在張呼客運專線變質巖隧道勘測中采用直流電測深法探測隧道圍巖情況，應用效果良好，可為附近類似工程提供有益參考。

1 直流電測深法基本原理

直流電測深法是以地質體的電性差異為基礎，人工建立地下穩定直流電場，通過逐次加大供電(或發送)與測量(或接收)電極極距，觀測與研究同一測點下垂直方向不同深度范圍地層電阻率的變化規律，以查明與深度有關的各類地質問題的一組直流電法勘查方法[10]。根據電極的布置方式分為對稱四極電測深、三極電測深、偶極電測深、環形電測深。本文采用對稱四極電測深。

對稱四極電測深法基本原理是對稱布置于測點兩側的測量電極固定不動，逐次增大供電電極距，獲得測點處垂直方向由淺至深的視電阻率變化規律。通過對電測深ρs曲線以及相應鉆探對比分析，推測相似地層的覆蓋層厚度、巖體風化厚度、巖體破碎情況以及地下水發育情況等。

如圖1，A、B為供電電極，M、N為測量電極，四個電極對稱布置在測點O兩側。測量時，M、N兩電極固定不動，電極A、B的距離逐漸對稱增大，每改變一次電極距AB，相應記錄一次ΔUMN和IAB。數據處理時，根據多次極距增大記錄數據，按照式(1)和式(2)計算視電阻率ρs值，繪制出ρs曲線。ρs曲線坐標原點為測點，橫坐標為AB/2，縱坐標為視電阻率ρs值，由于橫、縱變量非線性關系，一般采用雙對數坐標系，電測深ρs曲線如圖2所示。

(1)

(2)

式中 ΔUMN——MN間的電位差；

IAB——AB間的電流強度。

圖1 對稱四極電測深裝置示意

圖2 電測深ρs曲線

2 工程概況

2.1 地形地貌

張呼客運專線設計時速250 km， 線路經過張家口市與興和縣交界處的大尖山，以近NW35°方向斜穿山體，主要以6個短隧道群通過，隧道總長8.7 km。隧道洞身大部分埋深小于100 m，最大埋深為109 m。地貌單元為低山丘陵區，沖溝發育，地形起伏較大，自然坡度一般為10°～50°，山脊及所夾溝谷近似呈南北走向，山脊線傾角較緩。隧道區植被一般，多為灌木、雜草。

2.2 地質條件

區域內主要發育太古界變質巖麻粒巖，礦物成分中淺色礦物主要為斜長石、長石和石英等，暗色礦物為紫蘇輝石、透輝石、石榴子石、角閃石、黑云母等。該地區麻粒巖含有少量磁鐵礦，其中全風化麻粒巖風化劇烈呈砂土狀，強風化麻粒巖呈碎塊狀，弱風化麻粒巖主要發育3組節理。節理較發育，宏觀上表現為較完整-較破碎，局部存在差異風化帶和節理發育密集帶，巖體破碎。隧址區地質構造主要以正斷層為主，產狀30°～152°∠60°～85°，與線路的夾角為37°～76°，斷層帶及其影響帶寬度73～92 m。

3 野外工作

野外采用了WDJD-3電法儀對變質巖隧道進行直流電測深，目的是探測測點處變質巖麻粒巖風化層厚度、巖體完整性及構造(斷層、破碎帶)埋深和地下水發育情況等。數據采集過程中，AB/2小于100 m時，每隔3～5個電極距進行重復觀測；AB/2大于100 m時，每個電極距都進行重復觀測；曲線出現畸變時，對畸變點和前后的電極距重復觀測或在畸變點前后增加測點。

本次勘測歷時約25天，完成DC1～DC6共6個測點野外直流電測深數據采集工作，并對其中具備鉆探條件的DC6測點進行了鉆探驗證。

4 物探成果分析

直流電測深測點DC1～DC6均布置在麻粒巖中，電測深曲線匯總如圖3，物探成果解譯如表1。

圖3 DC1～DC6測點ρs曲線

5 鉆探驗證

由于地形條件限制，具備鉆探驗證條件的只有DC6測點。根據鉆探揭露，0～30 m為強風化麻粒巖，其中0～5 m為灰黃色，5～30 m為灰色，巖芯破碎呈碎石類土狀；30 m以下則為弱風化麻粒巖，灰色，巖芯呈長柱狀，巖體較完整。鉆探完成后孔內提水試驗顯示該孔地下水不發育，水位埋深21 m，物探解譯成果解譯為19.7 m，相對誤差6.2%。鉆探揭露的強風化界線埋深為30 m，與物探成果推測的28 m相差2 m，相對誤差6.6%，與學者鐘世航[5]研究成果基本一致。可見物探成果解譯的麻粒巖強風化界線埋深、巖體完整性及地下水發育情況與鉆探揭露基本相符，且對于埋深大于10 m的地質體，電測深法探測的結果，深度相對誤差仍然小于10%。值得注意的是物探成果解譯中0～3 m判定為覆蓋層，對比鉆探，物探顯然產生了誤判。分析原因認為0～3 m的麻粒巖強風化層風化劇烈，部分巖石已風化成砂土狀填充在強風化碎塊中，其視電阻率表現為第四系碎石類土的特性，所以產生誤判。

表1 物探成果解譯

6 結論

(1)表層麻粒巖強風化巖體大部分已風化呈砂土狀，由于差異風化，還存在強風化碎塊填充其中，其視電阻率表現為第四系碎石土特性，電測深解譯時容易誤判為碎石類土。直流電測深物探方法在隧道勘測時，需有鉆探驗證對比分析修正物探解譯成果，盡量避免產生誤判。

(2)直流電測深法在張呼客專變質巖區隧道勘測中較準確判定了巖體強風化界線埋深、巖體完整性、地下水埋深及地下水發育情況。

(3)對于鐵路、公路等線狀工程而言，特別是變質巖隧道初測方案比選階段，可使用該方法快速獲得地層風化界線、巖體完整性和地下水發育情況，提高勘測效率。

(4)由于地形條件限制，只有DC6測點具備鉆探驗證條件，隧道施工開挖時還需進一步驗證物探解譯成果，從而為附近類似工程積累更多經驗。

[1] 雷旭友，李勇，李正文.綜合物探在鐵路復雜地質選線中的應用[M]∥中國地球物理學會.中國地球物理.合肥：中國科學技術大學出版社，2001

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[5] 鐘世航.淺層探查時直流電阻率測深的深度靈敏度[J].物探與化探，2004，28(1)：47-48

[6] 王巍，劉立劍，陳劍杰，等.電測深法在花崗巖區地下水探測中的應用[J].工程地質學報，2011(19)：459-464

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The Application of Electric Detecting Method to Metamorphic Tunnel Survey in Zhangjiakou-Huhehaote Passenger Dedicated Line

ZENG Xiangfu ZHANG Qiang

2013-12-06

曾祥福(1981—)，男，2008年畢業于中國地質大學(北京)地質工程專業，工學碩士，工程師，E-mail:94257212@qq.com。

1672-7479(2014)01-0044-03

P631.3+22

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