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(jié)果準(zhǔn)確可靠、受地形影響較小、實用性較強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于地下障礙物勘察、水文及工程地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害勘察等領(lǐng)域。本文將高密度電法應(yīng)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(yīng)的隧道中心位置坐標(biāo)，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(fā)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(shù)系統(tǒng)。它是基于靜電場理論，以探測目標(biāo)體的電阻率差異為前提進行的，是直流電勘探技術(shù)方法的進一步發(fā)展，其功能相當(dāng)于測探與電剖面法的結(jié)合。通過布置多個電極等技術(shù)組件向地下空間提供電能，形成人工電場，進而實現(xiàn)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(zhì)結(jié)構(gòu)分布[1]。該方法可一次性布置多個測點，采集數(shù)據(jù)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(xiàn)場測試時，一次可布置數(shù)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(jù)設(shè)置的電測裝置形式和其他參數(shù)自動完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場探測布置如圖1 所示。采集的數(shù)據(jù)根據(jù)電場的分布特點形成視電阻率剖面，然后將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)K 的通用計算公式為：

圖1 高密度電法現(xiàn)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(fā)射電極，M、N 為接收電極；SAM、SAN、SBM、SBN分別為對應(yīng)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(shù)。溫納裝置（α 裝置）進行數(shù)據(jù)測量時，其中的電極距SAM=SMN=SNB=na（n 為隔離系數(shù)，n=1，2，3，…最大剖面層數(shù)），首先使隔離系數(shù)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(shù)據(jù)剖面；然后逐步增大隔離系數(shù)n，電極A、M、N、B 再重復(fù)前一步，直到測量結(jié)束，最后得到倒梯形的數(shù)據(jù)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(shù)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(fù)操作測量。在確定裝置類型后，依據(jù)技術(shù)規(guī)程，選擇合適的電極距S，在一定范圍內(nèi)，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(yīng)用

3.1 探測區(qū)地質(zhì)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(qū)，場地西側(cè)為明城大道，東側(cè)為雙龍大道，北側(cè)為繞城路，南側(cè)為玉盤東街。隧道走向的工作區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)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(jié)構(gòu)出露部分的實測坐標(biāo)（A：X=339 239.148，Y=331 431.010 和B：X=339 228.042，Y=331 433.940），結(jié)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(yīng)的隧道中心點位置坐標(biāo)，為高密度電法在既有隧道中的探測提供實際工程依據(jù)。

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(shù)字直流電法（激電）儀和60 道轉(zhuǎn)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(qū)異常的連續(xù)、完整和便于追蹤，依據(jù)工作區(qū)域的工作條件、隧道目標(biāo)物的規(guī)模和裝置形式等因素，實際測網(wǎng)密度，測線長度、電極間距、測點數(shù)量見表1。

表1 測網(wǎng)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(yīng)C1C1′、C2C2′、C3C3′測線。

C1C1′測線自南向北布設(shè)，大角度布設(shè)在水塘西側(cè)，北側(cè)地形稍有起伏，測線全長88.5 m，共布設(shè)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(qū)，且反演云圖反映兩側(cè)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(jié)果

C2C2′、C3C3′測線自南向北布設(shè)，布設(shè)在東側(cè)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(shè)位置較為接近，C1C1′、C2C2′測線各布設(shè)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(qū)，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(qū)明顯較寬于C2C2′測線。

圖5 C2C2′測線溫納裝置反演云圖結(jié)果

圖6 C3C3′測線溫納裝置反演云圖結(jié)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(qū)。通過甄別異常區(qū)的高電阻率，可以為既有隧道的走勢提供依據(jù)。

3.4 結(jié)果分析

1）C1C1′測線布置處根據(jù)反演結(jié)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(zhǔn)）處存在高阻異常區(qū)，視電阻率較高，經(jīng)分析可知，此異常區(qū)是由隧道目標(biāo)體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)存在明顯的電阻率差異導(dǎo)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(qū)為隧道所在的位置。

2）根據(jù)C2C2′、C3C3′測線布置處的反演結(jié)果看，由于C2C2′、C3C3′測線布設(shè)較為臨近，都在測線里程84～99 m 處存在高阻異常區(qū)，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(jié)果分析既有隧道的位置分布，在圖7 上標(biāo)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(biāo)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(yīng)的隧道中心位置坐標(biāo)（見表2）。

表2 隧道中心點位置坐標(biāo)

圖7 高密度電法電阻率斷面立體示意圖

4 結(jié)論

高密度電法能夠為既有隧道位置勘探提供技術(shù)支持，并利用高密度電法的測點距離小、數(shù)據(jù)采集密度大等優(yōu)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(biāo)物與周圍介質(zhì)的電阻率差異，推斷勘探目標(biāo)物的分布形態(tài)。

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

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