激發極化超前探測在祥和隧道地質勘測中的應用

劉振國 于海洋 李相輝

摘要：采用自主研發的激發極化超前預報儀器，對祥和隧道進行地質勘測。通過對激發極化法中極化率、電阻率以及半衰時之差等參數進行分析和反演，可以得到掌子面前方巖體的電阻率、極化率結構，為進行超前地質預報提供重要的參考。

關鍵詞：激發極化法；超前探測；地質勘測

1.引言

目前，國內外地質勘探的主要方法為鉆探。但是，該種方法無法勘探埋深較大的地層。近年來逐漸興起的電法勘探具有現場操作簡單、綠色環保、勘探深度較高等優點，具有廣闊的發展前景。

電法勘探是通過研究和觀測電流的變化來探測地層巖性、地質構造等地質條件的。劉盛東等人進行了三維并行電法勘探技術在礦井水害探查中應用的研究，通過多個礦井工作面的探采對比客觀地反映了隱伏水源的空間位置[1]；賀檢橋進行了電法勘探在湖南煤田勘探中的應用研究，提高了地質填圖工作精度，并為地質預算煤炭儲量提供了計算依據[2]。

本文自主研發了一種新型電法勘探——激發極化法勘探，并將其應用于祥和隧道地質勘測中。

2.工程概況

廣通至大理改建鐵路項目祥和隧道位于祥云南至大理東區間，穿越大理市五里坡、馬廠箐、蕎麥地、小三家村及黑土山頂等村落，于迎風村附近出洞，全長10220米，最大埋深約720米。

隧址區地表上覆第四系全新統堆積層粉質粘土，沖積層粉質粘土，坡殘積粉質粘土；下伏基巖為泥盆系下統青山組灰巖、康郎組白云質灰巖、白云巖。

3.激發極化法超前預報原理

激發極化法（Induced Polarization，簡稱IP）方法是電法勘探的一個重要分支，在進行電阻率法勘探時，會出現如下現象：在向地下供入穩定電流的情況下，測量電極之間的電位差并非瞬間達到飽和值，而是隨時間而變化，經過一段時間后趨于穩定的飽和值；而斷開供電電流后，電位差也并非瞬間衰減為零，而是在最初的一瞬間很快下降，而后隨時間緩慢下降并趨于零。這種發生在地質介質中因外電流激發而引起介質內部出現電荷分離，由于電化學作用引起附加電場的物理化學現象，稱為激發極化效應。圖1為時間域激發極化現象的示意圖。

通過對激發極化法中極化率、電阻率以及半衰時之差等參數進行分析和反演，可以得到掌子面前方巖體的電阻率、極化率結構，為進行超前地質預報提供重要的參考。

4.極化法測線布置

本次測量采用自主研發的激發極化超前預報儀器，主要采集了電阻率、半衰時差等參數，激發極化的測量電極布置為：掌子面布置2排測量電極，上下間距1.5m，左右間距1m，每排5個，共計10個。供電電極布置為：邊墻布置供電電極環，每環電極4個（A1、A2、A3、A4），共5環，共計20個電極，電極環分別與掌子面距離為0m、2m、10m、20m與30m。

5.激發極化法探測結果

本次探測的激發極化三維成像圖如圖3與圖4所示，其中X方向表示豎直方向，Y方向表示掌子面寬度方向，Z方向表示開挖方向，坐標原點為掌子面中心位置，反演區域為Y（-9m，9m）、X（-11m，11m），掌子面坐標為Y（-4.05m，4.05m）、X（-3.7m，3.7m），圖中掌子面洞徑范圍外部分僅供參考，綜合分析如下：

（1） PDK152+630—PDK152+645段落：三維反演圖像中掌子面范圍掌子面左右兩側電阻率值較低，尤其是掌子面右側出現低電阻率區域，結合掌子面地質分析，且二電流半衰時之差為正值，推斷掌子面左側及右側圍巖破碎富水，發育導水構造，開挖易出現股狀涌水。

（2） PDK152+645—PDK152+660段落：三維反演圖像中該段落電阻率相對較低，且二電流半衰時之差為正值，結合地質情況，可推斷該段落圍巖較破碎，裂隙發育且富水，富水情況較上一段落減弱或變化不大。

綜合地質分析與二電流半衰時之差信息，推斷探測范圍內水量約為1500m3。

6.結論

采用激發極化法對祥和隧道進行地質測量，通過對電阻率以及半衰時之差等參數進行分析和反演，可得出以下結論：

（1）PDK152+630—PDK152+645段落掌子面左側及右側圍巖破碎富水，開挖易出現股狀涌水；

（2）PDK152+645—PDK152+660段落圍巖較破碎，裂隙發育且富水。

參考文獻：

[1]劉盛東，吳榮新，張平松. 三維并行電法勘探技術與礦井水害探查[J]. 煤炭學報，2009，34（7）：927-932.

[2]賀檢橋. 電法勘探在湖南煤田勘探中的應用研究[J]. 中國煤田地質，2001，13（1）：67-70.