高密度電法在鐵路工程隧道勘察中的應用

董韜

摘? 要：在山區鐵路隧道工程中，斷層破碎帶對鐵路設計影響重大，對設計專業也提出了更加嚴格的要求，因而準確劃分出破碎帶的深度與范圍是非常必要且必須的。但是常規勘探手段代價高昂且耗時過長，并不適用于大規模山區作業。因此選擇合適的物探手段至關重要。高密度電法是以土、水、巖、礦石等不同介質之間電阻的率差異為基礎，用以查明地下地質構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據量大、數據觀測精度高的優點，因此在查明地下破碎帶中擁有良好的探測效果。本文介紹了高密度電法在安慶市某鐵路隧道破碎帶調查中的應用效果。

關鍵詞：破碎帶? 高密度電法? 鐵路工程? 隧道? 地質勘察

中圖分類號：U452.1 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

在鐵路工程實踐中，地下普遍存在著諸多影響地基穩定的不良地質現象。由于鐵路是線狀工程，因此經常會遭遇斷層破碎帶這一不良地質現象。這種不良地質現象會給鐵路路線的合理布局、工程設計和施工帶來困難，由于斷層破碎帶深埋地下，一旦斷層發生活動，會對建筑物的穩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]。高密度電法在進行野外數據采集時，電極布設一次完成，采集數據后即可對剖面進行數據觀測。該方法所測得的測點數量大、所獲得的電性信息豐富、探測的精度較高、工作效率高。通過自動控制轉換裝置可以對斷面進行自動觀測和記錄，同時由于數據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、產狀等特征[5]。劉猛等研究了高密度電法在探測斷層破碎帶等方向的應用，結果表明效果較好[5-7]。根據前人的實踐證明，高密度電阻率法是查明斷層破碎帶的一種有效手段[7]。本文以實際安慶市某鐵路工程隧道為案例，通過高密度電法有效判定了斷層破碎帶的位置，為工程設計和施工提供了依據。

1? 工程地質與地球物理條件

本工程位于安徽省安慶市，隧道穿越構造中山區，地勢高低起伏，山峰與山間沖溝及谷地相間分布，局部地勢落差較大，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耕植土，進出口及丘谷地帶分布有上更新統的碎石土;下伏基巖巖性主要為前震旦系大別山群水竹河組斜長片麻巖，大別山群英山溝組二長片麻巖，大別山群斜長片麻巖。

根據經驗統計和工區地球物理反演結果分析：斷層破碎帶的反演電阻率范圍為800～1500Ω·m;節理裂隙較發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量方法，它以導電性為基礎，通過觀測分析電場分布變化的規律為解決地質問題提供依據，其基本原理與傳統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勘查效果[9]。

2.2 使用儀器

高密度電阻率法測量儀器使用重慶地質儀器廠生產的DUK-2A高密度電法測量系統，野外數據采集采用溫納裝置[10]。本次勘探電極間距8m，最大隔離系數為30。野外數據采集時保證電極接地電阻小于1000Ω，采用大電流供電，確保野外數據質量[11]。

3? 資料解譯與推斷

3.1 數據處理

數據采集過程中，由于個別電極接觸不好或其它各方面的干擾，會使數據出現一些異常突變點，進而造成電阻率反演圖的顯示異常，難以對其進行準確解譯，因此必須剔除數據斷面中的虛假點或突變點。同時在數據采集過程中，可能會受到一些隨機噪聲的影響，因此需要對數據進行后期檢查并采用數據滑動平均方法進行處理[12]。高密度電法主要采集的參數為視電阻率，繪制成果圖為高密度視電阻率等值線圖。通過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 剖面解譯與鉆孔驗證

為了驗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個進行驗證。

3.2.1 解譯成果

從圖1可見，隧道洞身兩側0～460m和820～1200m段電阻率值由兩側向內部逐漸降低，范圍值約1500～5000Ω·m;460～820m段電阻率較兩側相比顯著降低，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，分析該段地層受構造作用影響強烈，為斷層破碎帶，巖體破碎、富水。

3.2.2 鉆孔驗證

在圖1中600m位置處布置了一個鉆孔，鉆孔資料顯示，0～12.0m為全風化斜長片麻巖;12.0～38.0m為斷層破碎帶;38.0～90.0m為弱風化斜長片麻巖，節理裂隙較發育;90.0～121.5m為斷層破碎帶;121.5～136.0m為弱風化斜長片麻巖，節理裂隙較發育。見圖2，結果表明與物探解譯成果相符。

4? 結語

在斷層破碎帶探測過程中，運用高密度電法，對斷層破碎帶的準確位置、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行了探測。并通過鉆孔進行了驗證，驗證結果與解譯成果相符。高密度電法成果解譯圖可形象地反映出所探測體的電性分布形態和結構特征，可以較為準確地推斷出斷層破碎帶位置、埋深等參數，與鉆探結合使用，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

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