張 健，賈小杰，劉媛媛，馬曉輝，石 磊

（1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局 地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

在鐵路、公路等各種工程的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到不良地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層、巖溶、滑坡等，這些不良地質(zhì)現(xiàn)象會(huì)對(duì)工程建設(shè)形成很大的潛在危害，可以對(duì)這些地災(zāi)隱患選用適當(dāng)?shù)奈锾椒椒ㄟM(jìn)行勘察，先行預(yù)測(cè)。

為緩解北京西北部八達(dá)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(shè)計(jì)及施工涉及多段隧道工程，根據(jù)相關(guān)任務(wù)，前期開(kāi)展物探勘察工作，目的是探測(cè)主要地層巖性界線、地質(zhì)構(gòu)造，特別是探測(cè)斷層產(chǎn)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(diǎn)判識(shí)隧道洞身高程范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，為隧道的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)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(zhì)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(gòu)造附近巖石破碎其電阻率一般明顯降低，斷裂構(gòu)造和裂隙發(fā)育帶內(nèi)往往成為地下水通道，與完整基巖相比電阻率會(huì)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(nèi)高壓線較多，電磁法受干擾嚴(yán)重。根據(jù)場(chǎng)地的地形、地貌特點(diǎn)，以及勘探深度的要求，本次勘察擬采用抗干擾能力較強(qiáng)的大功率多道電阻率測(cè)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(jìn)行勘察。

相比于傳統(tǒng)電阻率測(cè)深，大功率多道電阻率測(cè)深，除具有勘探效率高、數(shù)據(jù)密度大的特點(diǎn)外，還有一些獨(dú)特的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：①探測(cè)深度深，由于使用大功率發(fā)射機(jī)，其可靠的勘探深度大大加強(qiáng)；②數(shù)據(jù)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(chǎn)生的自然電位的影響，極大的提高了數(shù)據(jù)觀測(cè)精度；③接受機(jī)和發(fā)射機(jī)為分體式，可一點(diǎn)發(fā)射，多點(diǎn)同時(shí)接收，可根據(jù)地質(zhì)任務(wù)靈活布設(shè)物探剖面。

3 裝置特點(diǎn)及工作流程

裝置特點(diǎn)：

大功率多道電阻率測(cè)深（三極）裝置，充分利用了現(xiàn)代先進(jìn)儀器的多通道性能，采用大功率發(fā)射源，外業(yè)觀測(cè)時(shí)可以做到一點(diǎn)激發(fā)多點(diǎn)同時(shí)接收，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得最大量的數(shù)據(jù)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(shí)質(zhì)上是一種高密度的電法數(shù)據(jù)采集技術(shù)。采用三極測(cè)深裝置，通過(guò)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(yīng)用單極－偶極裝置，采用雙邊測(cè)量方式采集數(shù)據(jù)：就是供電電極可以在接收電極的兩側(cè)；它的特點(diǎn)是中淺部數(shù)據(jù)密度大，精度較高。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體地質(zhì)任務(wù)所要求的探測(cè)深度，決定接收極距及接收范圍。

工作流程：

根據(jù)工程任務(wù)的技術(shù)要求，確定MN=10m/20m/40m，30/40/50 道同時(shí)接收；供電無(wú)窮遠(yuǎn)極大于3 倍最大AO，一般大于3km；間隔系數(shù)：±0.5、±1.5、±2.5、…… ±15.5……。采用VIP5000/VIP10000 大功率激電儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

下圖為30 道觀測(cè)時(shí)，跑完11 個(gè)發(fā)射極的情況，工作中采用了正反向觀測(cè)，即間隔系數(shù)除正值外，還具有反向間隔系數(shù)-0.5、-1.5、-2.5……-8.5（圖中紅點(diǎn)數(shù)據(jù)）。

圖1 正反向觀測(cè)圖

由于接收機(jī)只配有10 道接收道，10 個(gè)發(fā)射極跑完，接受機(jī)需要到下一個(gè)測(cè)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(shù)據(jù)采集，形成整條測(cè)線的測(cè)深斷面。

下圖為測(cè)深斷面數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況。

圖2 單極－偶極測(cè)量裝置示意圖

在實(shí)際工作中，可以采用多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)多道接收，接收極距和跑極間隔可根據(jù)具體工程地質(zhì)目的靈活調(diào)整，在滿足技術(shù)要求的前提下同時(shí)提高工作效率。

4 資料處理

隧道勘察數(shù)據(jù)使用專業(yè)的反演軟件進(jìn)行有效處理，所運(yùn)用的方法為有限元法，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算。將原始數(shù)據(jù)中存在差異數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選出來(lái)，并將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換。

解釋依據(jù)：

隧道勘察的電阻率等值線可以直觀體現(xiàn)出斷面的橫向與縱向的電性變化情況，實(shí)際地質(zhì)體電阻率表現(xiàn)特性的直觀響應(yīng)，所得數(shù)據(jù)是地質(zhì)勘探理論依據(jù)。

工程地質(zhì)形成環(huán)境有所差異情況下，并在地質(zhì)構(gòu)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(shù)值發(fā)生變化與地層的成因、成分有一定關(guān)聯(lián)，還與礦石的密度、體積大小、含水量等相關(guān)參數(shù)有關(guān)系。通過(guò)研究礦石特征，可判斷出地質(zhì)構(gòu)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(shuō)明在該處存在不均勻地質(zhì)體，密集帶往往是斷層或不同電性層的分界處。

以下列幾個(gè)隧道為例進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 營(yíng)城子隧道左線

該隧道地表出露主要有安山巖、玢巖、閃長(zhǎng)玢巖和火山角礫巖。

從電阻率斷面圖整體電性分布情況來(lái)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(fēng)化巖石不均勻以及個(gè)別地段侵入巖體的反映；中、深部隧道洞身附近，除個(gè)別地段外，電阻率值大部分以中阻為主，推測(cè)巖石完整性較差。

其中37130 附近電阻率等值線變化劇烈，相對(duì)兩側(cè)較低，具有一定的延深，推斷為斷裂構(gòu)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(jí)為IV級(jí)，易發(fā)生冒頂、涌泥、涌水等事故，設(shè)計(jì)施工過(guò)程中應(yīng)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(fēng)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(duì)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(jí)圍巖。

37730 附近電阻率等值線變化劇烈，相對(duì)兩側(cè)較低，具有一定的延深，推斷為斷裂構(gòu)造反映，依次記為F11；37730 ～37820段電阻率等值線變化劇烈，相對(duì)兩側(cè)較低，具有一定的延深，推斷為斷裂構(gòu)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(shè)計(jì)施工過(guò)程中應(yīng)尤為注意。

圖3 營(yíng)城子隧道左線成果圖

4.2 鹿角灣隧道橫測(cè)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(lái)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(fēng)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(zhì)夾層，根據(jù)露頭處采集的物性分析，炭質(zhì)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(zhì)加層和白云巖的綜合反映。圖4 中1245 點(diǎn)附近電阻率等值線變化劇烈，相對(duì)兩側(cè)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(diǎn)位置隧道洞身埋深35 米左右，圍巖等級(jí)為IV；圖中1375 點(diǎn)、1415 點(diǎn)、1520 點(diǎn)和1600 點(diǎn)附近電阻率較低，且有一定的延深，推斷為斷裂、裂隙的反應(yīng)，依次記為F2、F3、F4 和F5。

圖4 鹿角灣隧道橫測(cè)線成果圖

4.3 梯子峪隧道橫測(cè)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(lán)色虛線中間，電阻率變低，等值線平緩，圖5 中1100 點(diǎn)附近等值線劇烈變化，電阻率低于兩側(cè)，推斷為斷裂構(gòu)造，標(biāo)記為F6，推測(cè)此層構(gòu)造裂隙發(fā)育，富水；三層，藍(lán)色虛線下部，電阻率逐步變高，等值線平緩，推測(cè)為完整基巖。

圖5 梯子峪隧道橫測(cè)線成果圖

除此之外，1040 點(diǎn)附近電阻率變低，等值線激烈變化，推斷為斷裂構(gòu)造，標(biāo)記為F5。

左、右洞身位于二層，巖體破碎，構(gòu)造發(fā)育，富水，易發(fā)生崩塌、涌水等事故，施工中應(yīng)注意，此外隧道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表層白云巖體存在整體滑坡的災(zāi)害隱患，應(yīng)予以重視。

5 結(jié)語(yǔ)

本次通過(guò)對(duì)多個(gè)隧道勘察的實(shí)例，說(shuō)明采用大功率多道電阻率三極測(cè)深裝置能夠測(cè)定覆蓋層、風(fēng)化層的厚度及其基巖面的起伏形態(tài)，能夠探測(cè)斷層、地下溶洞等地質(zhì)體的空間分布，具有電性響應(yīng)強(qiáng)，分辨能力高，勘探深度大（可達(dá)到300m）等優(yōu)點(diǎn)；相對(duì)于傳統(tǒng)的四極電測(cè)深裝置，數(shù)據(jù)量大大增加，布極更加的靈活，可根據(jù)勘探目的，進(jìn)行靈活的調(diào)整，同時(shí)大大提高了外業(yè)的生產(chǎn)效率，符合工程勘察類項(xiàng)目任務(wù)緊的特點(diǎn)要求。