高密度電法在既有隧道位置探測中的應用

黃春

（南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210000）

1 引言

高密度電法具有采集密度大、分辨率高、信息量豐富、探測結果準確可靠、受地形影響較小、實用性較強等優點，被廣泛應用于地下障礙物勘察、水文及工程地質勘察、地質災害勘察等領域。本文將高密度電法應用在既有隧道位置的探測中，主要勘探查明了既有未知隧道的位置分布，給出了高密度電法剖面處對應的隧道中心位置坐標，與實際位置有較高的吻合度，也可為其他工程的勘探提供可靠的資料借鑒與參考。

2 高密度電法測試原理

高密度電阻率法（簡稱“高密度電法”）是近年來發展起來的一種新型陣列勘探方法，也被稱為自動電阻率技術系統。它是基于靜電場理論，以探測目標體的電阻率差異為前提進行的，是直流電勘探技術方法的進一步發展，其功能相當于測探與電剖面法的結合。通過布置多個電極等技術組件向地下空間提供電能，形成人工電場，進而實現多電極距在觀測剖面的多個測點上的視電阻率觀測，從而推斷解釋地下空間的地質結構分布[1]。該方法可一次性布置多個測點，采集數據信息量大，可以進行成像計算，成圖直觀性強，對局部異常體具有很強的探查能力。

現場測試時，一次可布置數十到上百根電極，然后用智能電纜將電極相連后接到高密度采集儀。高密度電測儀根據設置的電測裝置形式和其他參數自動完成數據采集，現場探測布置如圖1 所示。采集的數據根據電場的分布特點形成視電阻率剖面，然后將現場采集的數據進行突變點剔除、地形校正和反演成像計算等處理，最后形成解釋數據剖面[2]。本文在高密度電法測量中，主要選用了工程勘察常用的溫納裝置（α 裝置）和施倫貝謝爾裝置（α2 裝置），這兩種裝置都屬于高密度電法常用裝置中的四極裝置[3]，裝置示意圖如圖2 所示，其裝置系數K 的通用計算公式為：

圖1 高密度電法現場工作布置圖

圖2 電阻率剖面法常用裝置

式中，量的下角A、M、N、B 為4 個電極代號，A、B 為發射電極，M、N 為接收電極；SAM、SAN、SBM、SBN分別為對應電極之間的電極距。

在高密度電法測試中，a 是最小電極距，n 是隔離系數。溫納裝置（α 裝置）進行數據測量時，其中的電極距SAM=SMN=SNB=na（n 為隔離系數，n=1，2，3，…最大剖面層數），首先使隔離系數n=1，電極A、M、N、B 沿測線方向逐個點移動，這樣就得到地下某一深度的數據剖面；然后逐步增大隔離系數n，電極A、M、N、B 再重復前一步，直到測量結束，最后得到倒梯形的數據剖面。在施倫貝謝爾裝置（α2 裝置）中，使電極距SMN=a，電極距SAM=SNB=na。在測量過程中，保持電極M、N 固定不動，電極A、B 按照隔離系數n 從小到大的順序移動，將電極M、N 向前移動一個點距，重復操作測量。在確定裝置類型后，依據技術規程，選擇合適的電極距S，在一定范圍內，其供電電極距SAB越大，勘探深度越大；測量電極距SMN越小，探測分辨率越高[4，5]。

3 高密度電法在既有隧道探測中的應用

3.1 探測區地質條件

本文以南京南站段寧蕪貨線隧道為研究對象，針對高密度電法在既有隧道中的探測工作展開具體分析。本研究對象的工作場地位于南京市雨花臺區，場地西側為明城大道，東側為雙龍大道，北側為繞城路，南側為玉盤東街。隧道走向的工作區域內主要為空地，雜草叢生，伴有灌木與生活雜物，地表地形稍有起伏。工作區域內分布有3 處水塘、部分建筑物以及草地，給測線布置帶來了一定的影響。

利用隧道結構出露部分的實測坐標（A：X=339 239.148，Y=331 431.010 和B：X=339 228.042，Y=331 433.940），結合高密度電法的物探手段和南京南站段寧蕪貨線隧道的位置分布，可以給出高密度電法剖面處對應的隧道中心點位置坐標，為高密度電法在既有隧道中的探測提供實際工程依據。

3.2 測線布置

高密度電法測線布置如圖3 所示，在隧道走向上盡量垂直或大角度布置了3 條高密度電法測線，編號為C1C1′、C2C2′、C3C3′，高密度電阻率測試采用儀器為WDJD-4 型多功能數字直流電法（激電）儀和60 道轉換器。本次工作單條剖面選用60 道電極，高電壓供電。C1C1′測線電極間距S1為1.5 m，采用溫納和施倫貝謝爾裝置形式；C2C2′測線電極間距S2為3.0 m，采用溫納和施倫貝謝爾裝置；C3C3′測線電極間距S3為2.5 m，采用溫納裝置。測量時，為了保證勘探區異常的連續、完整和便于追蹤，依據工作區域的工作條件、隧道目標物的規模和裝置形式等因素，實際測網密度，測線長度、電極間距、測點數量見表1。

表1 測網密度表

圖3 高密度電法測線布置

3.3 測試成果

圖4～圖6 為溫納測線裝置反演后的電阻率剖面圖，分別對應C1C1′、C2C2′、C3C3′測線。

C1C1′測線自南向北布設，大角度布設在水塘西側，北側地形稍有起伏，測線全長88.5 m，共布設60 根電極。通過溫納裝置形式的反演云圖（見圖4）可以看出，有1 處明顯的異常區，且反演云圖反映兩側均有較低的電阻率差異值。

圖4 C1C1′測線溫納裝置反演云圖結果

C2C2′、C3C3′測線自南向北布設，布設在東側位置，在兩處水塘之間，地形較為平坦，C2C2′測線全長177.0 m，C3C3′測線全長147.5 m，C1C1′與C2C2′測線布設位置較為接近，C1C1′、C2C2′測線各布設60 根電極。通過溫納裝置形式的反演云圖（見圖5 和圖6）可以看出，同樣都有1 處明顯的異常區，且與周圍的反演云圖有明顯的電阻率差異，但C3C3′測線處的異常區明顯較寬于C2C2′測線。

圖5 C2C2′測線溫納裝置反演云圖結果

圖6 C3C3′測線溫納裝置反演云圖結果

圖7 是溫納測試裝置形式下的高密度電法斷面立體示意圖，在圖上可以形象地看出3 個主要異常區。通過甄別異常區的高電阻率，可以為既有隧道的走勢提供依據。

3.4 結果分析

1）C1C1′測線布置處根據反演結果看，在測線里程33～45 m、高程約1.400～9.000 m（85 國家高程基準）處存在高阻異常區，視電阻率較高，經分析可知，此異常區是由隧道目標體的鋼筋混凝土結構與周圍介質存在明顯的電阻率差異導致的，且此處表層填土層干燥；其余部位視電阻率值較低，均為自然沉積土層。由此推斷出，此處的異常區為隧道所在的位置。

2）根據C2C2′、C3C3′測線布置處的反演結果看，由于C2C2′、C3C3′測線布設較為臨近，都在測線里程84～99 m 處存在高阻異常區，視電阻率較高，表層填土層干燥，其余部位均為自然沉積土層，視電阻率值較低。由此推斷，此處為隧道埋藏位置。

3）通過溫納測試裝置的反演云圖結果分析既有隧道的位置分布，在圖7 上標注了既有隧道的大致走向路線，利用已勘探的實測A、B 坐標和高密度電法物探手段的探測深度，給出了3 條高密度電法測線對應的隧道中心位置坐標（見表2）。

表2 隧道中心點位置坐標

圖7 高密度電法電阻率斷面立體示意圖

4 結論

高密度電法能夠為既有隧道位置勘探提供技術支持，并利用高密度電法的測點距離小、數據采集密度大等優點，能夠較直觀、形象地反映所測斷面的電阻率特性。通過對測線裝置反演云圖的分析，進一步研判勘探目標物與周圍介質的電阻率差異，推斷勘探目標物的分布形態。

在既有隧道中應用高密度電法，能夠獲得較好的地質效果。高密度電法斷面結果反映的是勘探區域的電阻率差異，當既有隧道與周圍介質存在較大的電阻率差異時，能夠反映出高阻異常區，通過反演云圖結果進一步分析既有隧道的分布形態。此外，高密度電法的裝置測試精度值得進一步提升，更加準確地判別勘探目標物的位置分布。

本文高密度電法在既有隧道位置中的應用取得了較好的測試結果，能夠很好地反映既有隧道的位置分布，達到預期探測目的，同時，也可為高密度電法在其他工程中的應用提供參考。