大功率多道電阻率測深在北京西部山區(qū)道路工程隧道勘察中的應用

張 健，賈小杰，劉媛媛，馬曉輝，石 磊

（1.中國冶金地質總局 地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.內蒙古自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測院，內蒙古 呼和浩特 010000）

在鐵路、公路等各種工程的設計及施工過程中，經常會遇到不良地質現象，如斷層、巖溶、滑坡等，這些不良地質現象會對工程建設形成很大的潛在危害，可以對這些地災隱患選用適當的物探方法進行勘察，先行預測。

為緩解北京西北部八達嶺高速車流量擁擠壓力，擬建北京興延路段高速公路，工程設計及施工涉及多段隧道工程，根據相關任務，前期開展物探勘察工作，目的是探測主要地層巖性界線、地質構造，特別是探測斷層產狀、破碎帶寬度以及巖溶洞穴、破碎軟弱或富水巖體的埋深和規(guī)模，重點判識隧道洞身高程范圍內的地質情況，為隧道的設計提供基礎資料。

1 地球物理前提

粉土或碎石土與安山巖、安山玢巖、玢巖、以及凝灰質砂巖、火山角礫巖和白云巖、灰?guī)r等巖性之間有著一定的電性差異，斷裂構造附近巖石破碎其電阻率一般明顯降低，斷裂構造和裂隙發(fā)育帶內往往成為地下水通道，與完整基巖相比電阻率會大大降低，電阻率的差異性，提供了電法勘探的地球物理前提。

2 方法選取

隧道勘察路段內高壓線較多，電磁法受干擾嚴重。根據場地的地形、地貌特點，以及勘探深度的要求，本次勘察擬采用抗干擾能力較強的大功率多道電阻率測深法，在兼顧勘探深度和分辨率前提下，采用單極－偶極裝置（三極）進行勘察。

相比于傳統(tǒng)電阻率測深，大功率多道電阻率測深，除具有勘探效率高、數據密度大的特點外，還有一些獨特的特點與優(yōu)勢：①探測深度深，由于使用大功率發(fā)射機，其可靠的勘探深度大大加強；②數據采集使用不極化電極，而并非高密度電法所用的金屬電極，基本不受金屬電極本身產生的自然電位的影響，極大的提高了數據觀測精度；③接受機和發(fā)射機為分體式，可一點發(fā)射，多點同時接收，可根據地質任務靈活布設物探剖面。

3 裝置特點及工作流程

裝置特點：

大功率多道電阻率測深（三極）裝置，充分利用了現代先進儀器的多通道性能，采用大功率發(fā)射源，外業(yè)觀測時可以做到一點激發(fā)多點同時接收，在較短的時間內獲得最大量的數據信息，從而提高了勘探精度及勘探深度，并且工作效率也大大提高，實質上是一種高密度的電法數據采集技術。采用三極測深裝置，通過減小接收電極間距和加密供電，形成了高分辨率的地電斷面。

應用單極－偶極裝置，采用雙邊測量方式采集數據：就是供電電極可以在接收電極的兩側；它的特點是中淺部數據密度大，精度較高。在實際應用中可以根據具體地質任務所要求的探測深度，決定接收極距及接收范圍。

工作流程：

根據工程任務的技術要求，確定MN=10m/20m/40m，30/40/50 道同時接收；供電無窮遠極大于3 倍最大AO，一般大于3km；間隔系數：±0.5、±1.5、±2.5、…… ±15.5……。采用VIP5000/VIP10000 大功率激電儀器進行數據采集。

下圖為30 道觀測時，跑完11 個發(fā)射極的情況，工作中采用了正反向觀測，即間隔系數除正值外，還具有反向間隔系數-0.5、-1.5、-2.5……-8.5（圖中紅點數據）。

圖1 正反向觀測圖

由于接收機只配有10 道接收道，10 個發(fā)射極跑完，接受機需要到下一個測站位置接收，發(fā)射電極再接著往前跑極發(fā)射。依此循環(huán)，可完成整條剖面數據采集，形成整條測線的測深斷面。

下圖為測深斷面數據點分布情況。

圖2 單極－偶極測量裝置示意圖

在實際工作中，可以采用多臺接收機同時多道接收，接收極距和跑極間隔可根據具體工程地質目的靈活調整，在滿足技術要求的前提下同時提高工作效率。

4 資料處理

隧道勘察數據使用專業(yè)的反演軟件進行有效處理，所運用的方法為有限元法，經過多次迭代計算。將原始數據中存在差異數據進行篩選出來，并將數據格式進行有效轉換。

解釋依據：

隧道勘察的電阻率等值線可以直觀體現出斷面的橫向與縱向的電性變化情況，實際地質體電阻率表現特性的直觀響應，所得數據是地質勘探理論依據。

工程地質形成環(huán)境有所差異情況下，并在地質構造發(fā)生變化的作用下，地層的橫向與縱向上電阻率存在差異；另外，電阻率數值發(fā)生變化與地層的成因、成分有一定關聯，還與礦石的密度、體積大小、含水量等相關參數有關系。通過研究礦石特征，可判斷出地質構造、含水情況、地層分布情況等等。

在反演電阻率斷面圖上，電阻率等值線密集陡直（橫向梯度變化較大），彎曲變形，說明在該處存在不均勻地質體，密集帶往往是斷層或不同電性層的分界處。

以下列幾個隧道為例進行說明。

4.1 營城子隧道左線

該隧道地表出露主要有安山巖、玢巖、閃長玢巖和火山角礫巖。

從電阻率斷面圖整體電性分布情況來看，淺部電阻率等值線較為凌亂，高低阻相間，為表層覆蓋土、風化巖石不均勻以及個別地段侵入巖體的反映；中、深部隧道洞身附近，除個別地段外，電阻率值大部分以中阻為主，推測巖石完整性較差。

其中37130 附近電阻率等值線變化劇烈，相對兩側較低，具有一定的延深，推斷為斷裂構造的反映，記為F1；37110 ～37150 段和37410 ～37460 段電阻率變?yōu)榈妥瑁茢鄮r石破碎或巖性較差，含水，圍巖等級為IV級，易發(fā)生冒頂、涌泥、涌水等事故，設計施工過程中應尤為注意。

37500 ～38250 段：該段地表出露的主要是火山角礫巖、安山巖、玢巖。該段淺部等值線分布雜亂，扭曲變形，橫向連續(xù)性較差，推斷巖石風化破碎、完整性較差、局部可能含水，深部等值線橫向連續(xù)性行較好，推斷圍巖相對完整。洞身處大部分位于中阻，推斷隧道圍巖完整性較差，大部分為IV 級圍巖。

37730 附近電阻率等值線變化劇烈，相對兩側較低，具有一定的延深，推斷為斷裂構造反映，依次記為F11；37730 ～37820段電阻率等值線變化劇烈，相對兩側較低，具有一定的延深，推斷為斷裂構造的反映，推斷巖石破碎、含水，易發(fā)生冒頂、涌泥、涌水等事故，設計施工過程中應尤為注意。

圖3 營城子隧道左線成果圖

4.2 鹿角灣隧道橫測線

該隧道地表出露主要有白云巖。

從電阻率斷面圖整體電性分布情況來看，淺部電阻率呈高阻，局部等值線較為凌亂，為淺層白云巖不均勻風化的反映；中、深部電阻率呈低阻。從出露情況分析，白云巖下部存在一層或多層較為破碎的灰黑色炭質夾層，根據露頭處采集的物性分析，炭質夾層呈低阻，視電阻率值在120（Ω·m）左右，推斷中、深部低阻體為破碎的炭質加層和白云巖的綜合反映。圖4 中1245 點附近電阻率等值線變化劇烈，相對兩側較低，具有一定的延深，推斷為裂隙、斷裂反映，傾向南東，與已知F1 斷裂吻合；1345點位置隧道洞身埋深35 米左右，圍巖等級為IV；圖中1375 點、1415 點、1520 點和1600 點附近電阻率較低，且有一定的延深，推斷為斷裂、裂隙的反應，依次記為F2、F3、F4 和F5。

圖4 鹿角灣隧道橫測線成果圖

4.3 梯子峪隧道橫測線

該線地形較陡，巖性整體為白云巖。

從電阻率上看，整體可分為三層。一層，綠色虛線上方，電阻率整體呈高阻，等值線疏緩，推斷白云巖較完整；二層，綠色和藍色虛線中間，電阻率變低，等值線平緩，圖5 中1100 點附近等值線劇烈變化，電阻率低于兩側，推斷為斷裂構造，標記為F6，推測此層構造裂隙發(fā)育，富水；三層，藍色虛線下部，電阻率逐步變高，等值線平緩，推測為完整基巖。

圖5 梯子峪隧道橫測線成果圖

除此之外，1040 點附近電阻率變低，等值線激烈變化，推斷為斷裂構造，標記為F5。

左、右洞身位于二層，巖體破碎，構造發(fā)育，富水，易發(fā)生崩塌、涌水等事故，施工中應注意，此外隧道開挖過程中，應力結構發(fā)生變化，表層白云巖體存在整體滑坡的災害隱患，應予以重視。

5 結語

本次通過對多個隧道勘察的實例，說明采用大功率多道電阻率三極測深裝置能夠測定覆蓋層、風化層的厚度及其基巖面的起伏形態(tài)，能夠探測斷層、地下溶洞等地質體的空間分布，具有電性響應強，分辨能力高，勘探深度大（可達到300m）等優(yōu)點；相對于傳統(tǒng)的四極電測深裝置，數據量大大增加，布極更加的靈活，可根據勘探目的，進行靈活的調整，同時大大提高了外業(yè)的生產效率，符合工程勘察類項目任務緊的特點要求。