高密度电法在炸山嘴隧道勘探中的应用

余灿鑫

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)



高密度电法在炸山嘴隧道勘探中的应用

余灿鑫

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

断层是一种破坏岩体连续性和完整性的不良地质体，危及隧道施工；同样地下含水层也是隧道工程施工中的安全隐患，时常造成地面崩塌。对不良地质体进行准确判断是保证隧道施工安全进行的前提条件。以炸山嘴隧道为例，采用高密度电阻率法对隧址区的异常特征进行了研究。结果表明，利用高密度电法断面上的低阻异常带划分出了含水层的位置、埋深及规模，利用低高阻垂向分界面划分出了断层破碎带位置。为隧道设计与施工提供了准确可靠的地质资料。

隧道；地质勘探；不良地质体；地下含水层；高密度电法；判断

1 工区地质—地球物理特征

炸山嘴隧道隧址区内，构造单元属于昆仑秦岭地槽褶皱区走廊过渡带六盘山复背斜北祁连加里东地槽褶皱带靖远叠坳陷。走廊过渡带，北接阿拉善台隆，南以南华山—西华山深断裂与北祁连加里东地槽褶皱带为界，东以龙首—六盘深断裂与鄂尔多斯西缘拗陷带相邻。该带在前震旦纪即已形成，加里东运动和印支运动为主要褶皱期。六盘山复背斜西以六盘山西麓大断裂为界，北界于烟筒山及罗山南端，东至龙首-六盘深断裂，南延至甘肃境内。本区基底可能为中—上元古界和下古生界，自晚古生代至侏罗纪属长期隆起区。燕山末期运动使本区褶皱隆起，形成北西向宽缓的复式褶皱，并且伴随断裂运动。喜马拉雅运动在燕山末期运动的基础上产生断块的升降运动。

隧址区地层主要为第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、第四系上更新统风积马兰组黄土(Q3eol)和下第三系始新统清水营组泥岩、砂质泥岩(E3q)、渐新统寺口子组砂砾岩(E2s)、白垩系下统乃家河组泥砂岩(K1n)。

对于隧址区的地球物理特征而言，隧址区内的几种主要介质岩体电阻率存在明显差异，表层的黄土和粉质粘土的电阻率范围为几十至300 Ω·m，泥岩的电阻率范围为几十至150 Ω·m，砾岩的电阻率范围为几十至数千Ω·m，砂岩的电阻率范围为几十至1 000 Ω·m，可见隧址区内地层电阻值存在明显差异，存在良好的地球物理条件，采用高密度电法进行勘探具备较强的可行性，能够取得良好的探测效果。

2 探测技术实施

高密度电法是一种常用的地球物理勘探方法，基于地下不同岩土体介质之间的电性差异，通过供电电极向地下供电来建立稳定的电流场，然后再利用测量电极记录电流场的分布情况，从而达到查明地下地质问题的目的[1-3]，因此高密度电法在探测电性不均匀体方面能够取得良好的效果。技术人员通过预先布置好的电极，利用电极转换器和多功能电测仪，根据测区的地质情况和地球物理条件选择合适的电极排列装置和测量参数[4]，实现实时、高效、自动化的数据采集过程，避免了由于人为误操作引起的数据错误。

高密度电法具备电剖面法和电测深法各自的优点，不仅可以同时获取地层纵向和横向的电性特征，全面掌握地下断面的电性特征[5]，而且高密度电法能够采用温纳、偶极、微分等多种电极排列方式进行扫描测量，根据不同排列装置的特点来解决不同的地质问题。在数据处理方面[6]，可以利用专业软件对采集的数据进行剔除畸变点、地形校正等一系列处理，最后完成反演成图，以更加直观的方式反映地下断面的电性特征。

测量仪器选用的是重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3多功能数字直流激电仪和WDZJ-3多路电极转换器。为满足勘探任务需求，同时使用两台多路电极转换器，一共连接120根电极，最小电极距设置为5 m，以此加大勘探深度，达到查明工区深部电性特征的目的。通过试验对比不同排列装置的测量效果[7]，发现α装置(即温纳装置)的测量结果分层性好，分辨率较高，故选用α装置作为本次物探的主要测量装置。

本次物探工作在炸山嘴隧道A4合同段内共完成高密度电阻率法测线10条，其中在隧道左线(ZK线)共布置了4条测线，在隧道右线(YK线)共布置了5条测线，在隧道左线洞口处布置了1条横测线。工区测线具体布置详见图1。

图1　工区测线布置图

数据接收与格式转换采用的是BTRC2004软件，反演采用的是瑞典的Res2dinv软件。数据处理流程为：首先将沿隧道轴线的多条测线段的数据进行拼接，然后将数据格式转换成能够被反演软件识别的格式，再对数据进行剔除坏点、地形校正等预处理，最后经过最小二乘反演得到电阻率成像剖面图。依据资料解释原则，结合工区的地质资料，对电阻率成像剖面图进行解译，绘制地质解译剖面图。

3 成果分析

3.1 左线探测

如图2所示，ZK23+610～ZK24+030测线段(图2中为23 610～24 030)，根据剖面电性特征可大致划分为三层，电阻率值整体呈高中低的分布趋势。第1层覆盖层以黄土和粉质粘土为主，电阻率较高，数值介于50～370 Ω·m，厚度在3～10 m左右。第2层电阻率值介于70～150 Ω·m，以全风化泥岩和强风化泥岩为主。在ZK23+890～ZK24+030测线段覆盖层和强风化泥岩层之间还存在一强风化砂岩层，电阻率介于两者中间。第3层地层与下第三系渐新统清水营组地层吻合，岩性以中风化泥岩为主。

图2 A4合同段ZK线(ZK23+610～ZK24+850)电阻率成像剖面图及地质解译剖面图

ZK24+030～ZK24+600测线段，根据电性特征可大致分为四层。覆盖层为第四系覆盖物，主要由粉质粘土和黄土夹碎石块组成，电阻率较高，数值介于150～380 Ω·m之间，厚度在4～15 m左右。第2层岩性以全风化砾岩层和强风化砾岩为主，电阻率介于200～1 000 Ω·m之间，比覆盖层电阻率高，与地质资料的下第三系渐新统寺口子组吻合，砾岩层厚度从10～40 m不等。第3层电阻率较低，电阻率值介于15～70 Ω·m之间，推测此层为强风化泥岩，厚度从20～40 m不等。第4层电阻率较高，电阻率介于130～1 000 Ω·m之间，与白垩系下统乃家河组地层吻合，岩体以中风化钙质泥岩夹泥灰岩为主。在ZK24+570处有一山沟，由图可见，沟下方电性呈高阻反映，与地质资料下第三系渐新统寺口子组地层吻合，岩性主要为砾岩。

ZK24+600～ZK24+850测线段，根据电性特征可大致分为三层。覆盖层电阻率较高，介于80～260 Ω·m之间，厚度约为6～15 m不等。第2层电阻率较覆盖层偏低，电阻率介于40～160 Ω·m之间，厚度约5～20 m，岩性主要为下第三系始新统清水营组泥岩和砂质泥岩。第3层为一高阻层，电阻率介于166～900 Ω·m之间，与下第三系渐新统寺口子组吻合，推测为砾岩层，厚度约为15～25 m。

异常推断如下：

异常Ⅰ，ZK23+780～ZK23+850测线段有一低阻异常区，电阻率值介于3～15 Ω·m 之间，地质资料显示该处岩性主要为强风化泥岩，推测低阻异常是由泥岩含水所引起。

异常Ⅱ，ZK23+910～ZK24+000测线段有一大块低阻异常，电阻率值介于1～15 Ω·m之间，结合地质资料推测为下第三系渐新统清水营组，泥岩含水所致。

异常Ⅲ，ZK24+020～ZK24+050测线段，高程2 100～2 040 m左右两侧为明显的陡立低高阻分界线，水平方向岩性的电阻率差异明显，具备断层的电性分布特征，故推测该处为断层。

异常Ⅳ，ZK24+090～ZK24+410测线段，高程约2 060 m处，电阻率值较低，数值介于8～150 Ω·m之间，岩性主要为白垩系下统乃家河组的强风化泥岩，因岩体较破碎含水后呈低阻异常。

异常Ⅴ，ZK24+640～ZK24+700测线段，在ZK24+670下方、高程约2 080 m处存在一低阻圈闭，电阻率介于20～80 Ω·m之间。结合地质资料，该测线段为老第三系渐新统清水营组，岩性以砂岩、砂质泥岩为主。推测可能是泥岩含水致其呈低阻异常。

3.2 右线探测

如图3所示，YK23+050～YK23+980测线段(图3中为23 050～23 980)，可分为四层。第1层地表电阻率较高，介于40～380 Ω·m之间，为以黄土和粉质粘土为主的第四系覆盖层，厚度从4～12 m不等。第2层电阻率较覆盖层偏低，介于2～380 Ω·m之间，与白垩系下统乃家河组吻合，岩性主要为全风化泥岩。第3层电阻率介于10～400 Ω·m之间，岩性主要为强风化泥岩、砂质泥岩。第4层的岩性主要为钙质泥岩夹灰岩，电阻率介于200～1 000 Ω·m之间。

YK23+980～YK24+800测线段，可分为三层。第1层地表电阻率较高，介于100～400 Ω·m之间，推测为第四系覆盖层，主要由粉质粘土和黄土组成，厚度为5～20 m。第2层为一高阻层，电阻率介于400至数千Ω·m，与地质资料下第三系渐新统寺口子组吻合，岩性主要为泥质砾岩，砂砾岩，厚度从10～50 m不等。第3层电阻率较低，在100 Ω·m以内，与白垩系下统乃家河组吻合，岩性主要为砂质泥岩，泥岩。

图3 A4合同段YK线(YK23+050～YK24+800)电阻率成像剖面图及地质解译剖面图

异常推断如下：

异常Ⅰ′，YK23+200、YK23+350和YK23+660三处浅部均存在高阻异常，结合工区现场情况，由图中所圈定的Ⅰ′号异常推断高阻异常均由窑洞引起。

异常Ⅱ′，YK23+325～YK23+890测线段，覆盖层下存在一分布广泛、连通性较好的低阻层，电阻率介于2～30 Ω·m之间。由图中所圈定的Ⅱ′号异常可推测YK23+325～YK23+890测线段下方存在富水层，左线(ZK线)Ⅰ号异常和Ⅱ号异常与右线(YK线)的Ⅱ′号异常所处深度位置较为一致且两条测线线距不大，推测可能为同一含水区域。

异常Ⅲ′，YK24+405～YK24+420测线段下方存在一低阻异常，电阻率介于50～80 Ω·m ，推测可能是泥岩含水所致。

异常Ⅳ′，YK24+435～YK24+460测线段，高程约2 050 m处电阻率较低，数值介于10～80 Ω·m ，推测低阻异常由泥质砾岩破碎后含水所引起。

4 效果验证

图4为隧道洞(进)口横向测线的反演断面图，图中标注了隧道洞口左右两处低阻异常，其中的Ⅱ″号低阻异常与左线ZK23+735～ZK23+845段(如图2所示)以及右线YK23+325～YK23+890段(如图3所示)下方的低阻异常区由同一低阻体引起，低阻层厚度约20 m，推测为一富水层。结合区域工程地质资料分析，这两处低阻异常均为泥岩含水所致。低阻异常区域恰位于进洞口两侧，极易发生透水，引发边坡失稳、崩塌，隧道施工中存在严重的安全隐患。在隧道后期开挖过程中，此两处均出现不同程度的透水，与反演断面图中电性异常区域响应一致，基本证实了此测线段反演成果图的可靠性。

图4 A4合同段左线(ZK线)隧道进口电阻率成像横剖面图

5 结束语

利用高密度电法基本上查明了工区岩性变化、含水层和富水带的分布情况，并且得到了工区钻探资料对物探解释的支持，为接下来开展隧道工程提供了可靠的工作依据及资料。即使在地质条件复杂的区域下探测近百米内的地质情况，高密度电法仍能较好地反映不良地质体的电性特征和空间展布，充分反映其较大的优越性、较广的实用性和较高的准确性，从而产生较好的经济效益和社会效益。结合高密度电法在隧道勘察及其他工程中的成功应用，总结其特点如下：

(1)不同于钻探等勘探方法，高密度电法物探资料具有连续性，可以反映出测线范围内任意一点的地质情况，勘探更为高效，结果更为全面。高密度电法具备测量效率高、勘探成本低、探测精度高、成果直观等优点，能够在隧道工程勘察中进一步推广应用。

(2)根据工区地形、地质、地球物理条件，合理布置测线，通过试验等方式选择合适的排列装置和测量参数，严格按照规范开展勘测工作，采集到高质量的数据。在反演与解译时，应具体问题具体分析，结合工区的地质资料和前期成果，对异常进行分类划分，分析引起异常的地质因素，提高推断解释的科学性和准确性。

(3)由于利用单一物探方法进行解译会存在多解性，应用效果将无法完全满足勘探任务的要求，所以在隧道勘察的过程中应结合多种探测方法，加强对重点区域的探测，尽可能全面准确地查明区域内的地质灾害情况，取得最佳的勘探效果。

[1]张 胜,韩许恒,李秉强,等.高密度电法在采空区勘测中的应用[J].灾害学,2005,20(4):64-66

[2]黄小年,肖宏跃,雷 宛,等.高密度电阻率法在排石场稳定性评价中的应用[J].灾害学,2007,22(2):77-81

[3]燕艳朋，王运生.高密度电法地表探测在隧道施工地质预报中的应用[J].现代隧道技术，2011,48(3):128-131

[4]罗 术,孙茂锐.高密度电法在公路大长隧道勘察中的应用[J].工程地球物理学报,2013,10(5):683-686

[5]肖宏跃,雷 宛,雷行健.高密度电阻率法中几种装置实测效果比较[J].工程勘察,2007(9):65-69

[6]刘 斌,张光保.高密度电法在隧道涌水通道勘查中的应用[J].工程地球物理学报,2012,9(6):750-754

[7]肖宏跃,雷行健,雷 宛.高密度电阻率法延时性勘探在地质灾害监控预警中的应用[J].灾害学,2008, 23(2):37-40

On the Application of the High-Density Electrical Method to the Geological Prospecting for the Zhashanzui Tunnel

YU Canxin

(The 2nd Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway，Tangshan 064000,China)

The fault is a bad geological body which damages the continuity and integrity of the rock body,and thus endangers the safe construction of a tunnel.Similarly,the underground water-bearing strata are also potential trouble in safety for the construction of the tunnel,which often lead to collapsing of the ground.The accurate judgment of poor geological bodies is the premise for the safe construction of a tunnel.With the Zhashanzui Tunnel as a practical example,a study of the abnormal geological characteristics of the tunnel district is made by the high-density-resistivity method in the paper.Theresultoftheresearchshowsthat,byapplyingthehighdensityresistivitymethodtogeologicalprospecting,theburieddepthandthesizeofthewater-bearingstratumaremadeknowninthelightoftheabnormalityofthelowresistivityofthefault.Byusingtheloworhighresistancetowardstheinterface,theaccuratelocationofthefaultfracturezoneisfound.Thepapermayprovideaccurateandreliablegeologicaldataforthedesignandconstructionoftunnels.

tunnel;geological prospecting;poor geological body;underground water-bearing stratum;high-density electrical method;judgment

2016-05-16

余灿鑫(1984—)，男，工程师，主要从事隧道工程方面的技术管理工作。153473478@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.020

U452.11

B

1672-3953(2016)05-0074-05