電法勘探在高鐵地基勘查中的解析和應(yīng)用

韓志剛，占建琴

(1.山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西太原030006；2.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，廣西南寧530029）

1 概述

物探是通過觀測和研究各種地球物理場的變化來解決地質(zhì)問題的一種勘察方法，其作為一種勘探手段在各種勘查工作中被廣泛運用[1-3]。近些年我國高鐵事業(yè)飛速發(fā)展，為了保證高鐵運營的安全，在初期勘察過程中投入大量的人力物力進行勘察設(shè)計工作，物探就是其中的先行手段。物探按照物性可分為：重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探和地熱勘探。所以在高鐵路基勘察中應(yīng)根據(jù)目的任務(wù)的不同選用相應(yīng)的物探方法，方法及施工裝置選擇的合理與否直接關(guān)系到勘測結(jié)果的準確性。

2 方法可行分析

探測方法的選擇要結(jié)合方法特性[4-6]和勘探目的任務(wù)來考慮。筆者以電法類勘探方法為例介紹，電法類勘探手段的可行性主要有3個要求：

（1）要求目標體與圍巖之間有明顯的電性差異；

（2）選擇的儀器及施工裝置有效探測深度大于地質(zhì)目標體埋深；

（3）必要施工的地形和接地條件。

3 應(yīng)用實例分析

3.1 在煤礦采空破壞區(qū)探測中的應(yīng)用

山西省煤炭開采歷史久遠，隨著我國高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，途經(jīng)山西煤礦富集區(qū)的線路勘查中煤礦采空探測成為不可回避的問題。太原至蘭州高鐵南則隧道初設(shè)線路位于歷史上有過小窯開采活動的呂梁地區(qū)。由于開采歷史久遠，煤礦采掘資料不詳且無法進行井下實測，為了使設(shè)計線位盡量規(guī)避煤礦采空區(qū)，需要對初設(shè)線位左右各100m的范圍進行探測。

勘查區(qū)內(nèi)賦存的地層由老至新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組；石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組及上第三系、第四系地層。歷史有過開采活動的最上層煤為4號煤層，埋深大概在230m。在初步確定了目的層的深度及野外踏勘后，考慮到勘查區(qū)地處晉西黃土高原，地形主要以黃土臺、塬、峁、梁及黃土沖溝為主，侵蝕切割嚴重，溝谷發(fā)育呈羽毛狀展布，地形復雜。我們結(jié)合經(jīng)驗決定應(yīng)用小回線TEM法裝置[7-8]探測下伏4號煤層是否存在采空破壞區(qū)。

小回線TEM法探測深度問題眾多學者已經(jīng)有過明確的推理計算和實例應(yīng)用。深度計算采用蔣邦遠在《實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探》一書中經(jīng)過討論各種定義的深度和模型計算得出公式：

式中：I——發(fā)射電流；

L——發(fā)射邊框；

Ρ——平均電阻率（ρt或ρn）。

本區(qū)地層平緩，平均電阻率的計算采用縱向電阻率計算公式。結(jié)合地質(zhì)資料建立勘查區(qū)電阻率地層模型見圖1。

對模型1賦予表1中的參數(shù)值后，帶入式（2）中計算。

圖1 地層的電阻率模型

表1 地層模型參數(shù)表

經(jīng)計算，勘查區(qū)地層模型平均電阻率為97.14Ω·m，使用5m×5m發(fā)射邊框，供電電流300A，將參數(shù)帶入公式（1）中計算得出有效探測深度可達300.5m滿足本次勘探要求。

從4號煤層視電阻率平面圖（圖2）中可以看出視電阻率值變化范圍基本在116～156Ω·m之間，其中Ⅲ號異常為已知采空區(qū)，視電阻率值大于140Ω·m，以此為采空區(qū)異常的值，推斷的解釋4處采空區(qū)，其中Ⅱ號異常解釋為地面鐵磁性（停放有挖機等機械設(shè)備）造成的低阻異常。

對物探推斷解釋的成果施工3個鉆孔進行了鉆探驗證，如圖2所示編號為ZK03的鉆孔布設(shè)在Ⅱ號低阻異常內(nèi)，編號ZK02的鉆孔布設(shè)在解釋的未采空區(qū)域，編號ZK04的鉆孔布設(shè)在Ⅴ號高阻異常內(nèi)。

3個鉆孔的驗證情況與物探成果相吻合，說明本次物探方法選擇有效，測網(wǎng)布設(shè)和參數(shù)選擇合理。

3.2 在基巖面和溶洞探測中的應(yīng)用

太焦高鐵沿線襄垣縣西營鎮(zhèn)南側(cè)和焦作北側(cè)的太行山區(qū)的巖性主要為奧陶系及寒武系石灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云質(zhì)泥灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r等，由于受構(gòu)造影響，巖體裂隙發(fā)育，受地下水長期溶蝕作用，沿構(gòu)造裂隙發(fā)育成較大型的溶洞，為了確定基巖面深度和探測高鐵初設(shè)線位下伏地層是否存在溶洞發(fā)育。采用激發(fā)極化法進行探測。

圖2 4號煤層視電阻率平面圖

由于探測目標體較小，為了提高探測精度以達到理想探測效果。布設(shè)點距為10m，施工裝置選擇對稱四極裝置，該裝置的記錄點在MN中間，其優(yōu)點是對下伏目標體有較高分辨率。由于后期需要用量板法定量解釋，而量板的編制時的ρs理論曲線計算不論哪種形式的理論公式，總是地層參數(shù)及AB/2的函數(shù)（MN→0），所以極距滿足1/3＞MN/AB＞1/30的前提下越小越好，具體施工極距見表2。

野外數(shù)據(jù)采集要求現(xiàn)場繪制電測深曲線，對出現(xiàn)畸變的數(shù)據(jù)要及時檢查原因，補充測點最終排除假異常。視電阻率（ρs）測深曲線繪制要求橫、縱坐標均采用對數(shù)坐標，模數(shù)均為6.25cm，橫坐標代表供電電極距AB/2(即勘探深度)，縱坐標代表視電阻率值（ρs）的大小。

表2 施工極距表

從圖3（DK246+420點視電阻率曲線圖）中可以看出該點曲線為HA型，在AB/2=10m處就以45°漸近線上升，說明該點基巖面埋深小于10m，上升角度小于45°，說明該處有巖溶發(fā)育或基巖完整性差，裂隙發(fā)育。

圖3 DK246+420點視電阻率曲線

圖4 DK246+480點視電阻率曲線

同樣從圖4（DK246+480點視電阻率曲線圖）中可以看出該點曲線為HA型線，在AB/2=20m處就以45°漸近線上升，說明該點基巖面埋深小于20m，在AB/2=40m處上升角度接近或大于45°，說明該處基巖完整性較好。

然后應(yīng)用交通部編制的“對稱電測深二層量板”對各點進行巖性界面定量解釋，計算得出深度調(diào)整系數(shù)后應(yīng)用相關(guān)軟件生成視電阻率剖面等值線圖(見圖5a)和視極化率剖面等值線圖(見圖5b)。

從圖5a中可以看出在里程DK246+455～DK246+470處，高程970m處，視電阻率等值線出現(xiàn)幅度較大的彎曲，本段測線基巖視電阻率較低，說明該段基巖完整性差，裂隙較發(fā)育；從圖5(b)中可以看出在里程DK246+420～DK246+430處，高程982m處，極化率等值線密集，出現(xiàn)半閉合異常，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為巖溶異常，在里程DK246+455～DK246+470處，高程970m處，極化率等值線出現(xiàn)幅度較大的凹陷且形成閉合圈，與電阻率推斷的異常相吻合，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為基巖破碎或溶蝕異常。

綜合量板法解釋的單支曲線、視電阻率剖面等值線圖和視極化率剖面等值線圖推斷得出：該測線段的基巖面以視電阻率剖面等值線圖中40Ω·m為基巖和黃土覆蓋分界線（圖5b中黑色粗線），溶洞異常解釋2處（圖5b中編號RD1和RD2）。

在DK246+425處（RD1異常）布設(shè)鉆孔進行驗證，總鉆進18m，在7.6m處見深灰色石灰?guī)r，在11.5～12.4m處出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，充填物為泥巖和砂粒。驗證結(jié)果與物探綜合推斷解釋成果基本吻合。

4 結(jié)論

（1）從2個實例可以看出在工程勘察中物探方法和裝置選擇合理的前提下，可以有效地解決工程相關(guān)問題。

（2）從效率和成本上看，物探是在地質(zhì)調(diào)查有異常的前提下，確定異常特征的首選方法，它在我國各項工程快速建設(shè)中有重要意義。

（3）由于物探推斷遵循由已知到未知的原則，所以試驗工作的有效及合理是后期解釋的保障。

（4）物探解釋要結(jié)合地質(zhì)情況合理推斷分析，脫離地質(zhì)的解釋會造成誤判，影響探測結(jié)果的準確性。