利用并行电阻率法探测隧道施工地质条件

周文龙，席超强，胡泽安，郭立全

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)



利用并行电阻率法探测隧道施工地质条件

周文龙，席超强，胡泽安，郭立全

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

近年来，隧道建设数量与规模不断加大。隧道掘进所面临地质条件的复杂化，极大地增加了现场施工的难度和危险性。其中，掘进前方地层的岩溶构造问题是严重影响工程安全的主要难题之一。利用阵列式并行电法测试技术，结合隧道地质条件，开展隧道前方地质条件的超前探测与研究。结果表明，测试方法能够有效圈定岩溶发育区、确定岩层富水情况，实现对溶洞、塌方等异常区域的快速定位与判断。技术研究为隧道岩溶地质条件安全施工提供一种新的技术保障，其对隧道工程建设有着重要的应用价值。

隧道溶洞；并行电阻率法；数据处理；应用分析

1 引 言

岩溶发育是隧道开挖工程中经常遇到的地质灾害条件，溶洞的出现往往会影响到隧道正常的开挖进程，严重威胁施工安全，甚至会造成隧道的冒顶和塌方。行业规范中也要求必须对隧道进行超前探测，因此开展对隧道开挖前方的地质条件探测显得尤为重要。电法勘探是对地下空洞及其富水条件探测的一种比较适用的方法技术。它是基于地壳中岩层、岩石、矿石的电阻率等电化学性质具有差异性的特点，利用岩土层介质对人工电场的不同响应特征来确定和分析地质异常体，解决地质问题的勘探方法。

电法勘探是技术发展较为成熟的一种勘探方法，特别是计算机技术的引入对电法勘探的发展提供了强大的推动力，也使电法勘探的技术有不断的突破。例如，日本OYO公司开发出的新的电法CT仪在增强透视能力同时，提高了电阻率的分辨率，能够更好地消除误差。美国GSSI公司开发出的电法测量系统的仪器可以提高电法数据采集的效率和质量，对实现电法采集系统的多功能性具有重要作用[1-3]。Ellis等在1994年对三维反演进行了系统的论述[4-6]，吴荣新等利用三维反演技术在煤层矿井水害防治方面取得了重大突破[6]。随着地球物理学的发展，电法实现了从二维到三维反演的发展，电法反演的方法实现了线性反演到非线性反演的发展，使数据空间到模型空间的映射得以实现，数据反演质量得到进一步地提高。在正演方面由于数值分析方法的引入，大大提高了正演模拟的精度和速度。近年来并行电法在工程上得到了广泛的应用，在路基检测、坝基稳定性检测方面取得了良好的效果。论文通过分析高精度地电断面的电性分布特征，解决实际的隧道开挖工程问题，结合隧道施工地质条件进行说明与分析，为同类型地质条件评价提供参考。

2 隧道探查地质条件

探查研究区为九景衢铁路的一部分，其在浙江省境内长83.88 km，从浙赣铁路电气化改造衢州取直工程中的衢州新站引出，途经3个县(区)的9个乡镇，在常山县境内长度占全长三分之二。因隧道工程条件穿过地层多，条件复杂，现场采用钻探及工程物探等方式进行勘探，重点对箬岭等隧道施工的溶洞区域进行探查，为后续隧道施工工作提供依据。

勘察资料揭示，表层土层主要为第四系残坡积层，粉质黏土，棕黄色，褐色硬塑，局部夹碎石，厚1～10 m。出露的岩石主要为黄色的钙质泥岩，灰色泥质灰岩与深灰-灰黑色小瘤状灰岩互层。受构造运动影响岩层产状为70°～145°，∠50～80°。

隧道在区域上处于衢门山—上山头断层带上，属衢县帚状构造。与隧道有关的断层主要有F1、F2、F3断层，其中F1断层两盘地层为压扭壮断层；F2断层上盘为含炭硅质页岩，下盘为灰岩，并且为岩层接触带；F3断层为岩层接触带，在地貌上表现为狭长的冲沟。另外还存在一些地质问题，包括表层滑坡，岩溶等。隧道的下部为碎屑岩，里面含有大量的裂隙水，正常涌水量为224 m3/d，最大涌水量为336 m3/d。

图1为测区剖面，岩层物性差异明显，为探查提供基础。

3 施工探查与分析

现场采用电阻率方法进行探查，通过现场布置、数据采集等环节，完成现场工作任务。

3.1 并行电阻率法测试技术

并行电法是建立在高密度电法勘探设备的基础上的一种阵列式勘探方法，是多种排列的常规电阻率法与资料自动反演处理相结合的综合方法[7-9]。并行电法是直流电法的新发展，是利用AM和ABM两种不同的供电方式来进行数据的采集和处理。其数据采集方式是一种拟地震的采集方式，是通过每一个电极都配备 A/D 转换器，使每个电极相当于智能电极[10,11]。网络并行电法勘探是将网络系统与智能电极结合，采用类似地震勘探的采集方式，不仅能完成各种传统的电法测量方法，而且能极大地提高野外勘探的效率与采集海量数据，从而大大降低了电法数据的采集成本。其中并行电法数据的特点，既可以进行常规方式处理，又可进行全场计算，因此其数据处理中结合观测系统和观测方法，以及探测区域地质资料，可获得较为理想的探查结果。

图1 测区地层剖面Fig.1 Stratigraphic section part of the surveyed area

3.2 电法数据采集

现场测试时采用了温纳三极装置，分别布设了L1、L2、L3三条测线。L1、L2为北东60度方向。L3与L1、L2垂直。其中L1、L2测线长度240 m，电极距4 m，电极数61个。L1、L2垂直于隧道开挖方向，L3则与隧道开挖的方向平行。L1、L2平行距离为20 m。L3测线长度为120 m，电极距4 m，电极数31个。1号电极为起始电极，其他电极沿测线顺序布设。现场布置如图2所示。数据采集采用温纳三极装置进行实施，所获得的数据质量良好。

3.3 结果分析

利用AGI数据处理系统对勘探区三维数据进行反演，获得隧道开挖前方岩土介质电阻率三维电性空间分布结果，进一步提取不同测线电阻率剖面进行精细解释，图3为不同测线视电阻率剖面结果。从中可以看出，地下岩层电性分布具有差异性，这为异常范围判断提供基础。

图2 现场布置图Fig.2 Site layout

图3 测试视电阻率剖面特征Fig.3 Resistivity profile of L1、L2、L3

结合隧道施工地质条件，本区下覆灰岩地层，受地表水和地下水溶蚀作用岩层中岩溶较为发育。其无水空洞表现为高电阻率，而含水区域则变现为低阻异常，据此进行探查区的精细解释。图4为依据测试剖面获得的高程155 m视电阻率值平面分布特征图，其中高阻区域的视电阻率值达到1 500～1 800 Ω·m，判断为岩溶发育区域，其分布特征中长度20 m，宽20 m，深度在25 m左右；另在探查线方向存在一相对高阻异常区，其视电阻率值在1 000～1 400 Ω·m，分析为断层的存在而引起的异常。地质调查结果表明，在电法探测测线位置地面有坍塌，这进一步证明其地下岩溶溶洞存在的可能性，另对低阻区域通过钻探验证表现为岩层裂隙富水。

图4 视电阻率切片Fig.4 Resistivity slices

4 结 论

1)并行电法地面野外施工有利于对地下地电断面进行分辨，所获得的结果较为可靠，可进行浅层地质条件综合探查方法与应用。特别是在探测岩溶和水的分布方面具有较好的效果。

2)通过对本次隧道开挖前方地质条件的探测，探查出箬岭隧道在隧道开挖线路上有岩溶发育，并形成空洞。探测出岩溶发育的位于隧道开挖的线路上，长20 m，宽20 m，埋深在25 m左右。隧道开挖下方为松散碎屑岩并且含有大量的裂隙水，深度大约在25 m。

3)并行电法可以探测出岩溶发育的空间位置和范围，但是难以准确地确定岩溶内部发育的具体情况。由于测线的布设长度有限，所以并行电法在纵向电阻率探测方面有一定的局限性。

[1]付茂如.矿井工作面底板岩层赋水性双巷立体电法探测技术研究[D].淮南：安徽理工大学,2013.

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[6]吴荣新,刘盛东,张平松.双巷并行三维电法探测煤层工作面底板富水区[J].煤炭学报，2010,35(3):454-457.

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The Application of Parallel Resistivity Method to Geological Conditions Detection of Tunnel Construction

Zhou Wenlong,Xi Chaoqiang,Hu Zean,Guo Liquan

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)

In recent years, the amount and scale of tunnel constructions continue to increase. Tunneling faced complicated geological conditions greatly increases the difficulty and danger of the construction site. The karst structure problem of the front of the tunneling is one of the main problems that affect the safety of the project. In this paper, combined with the geological conditions of tunnel, the method of array parallel electrical test method is used to carry out the advanced detection and study of the geological conditions ahead of the tunnel. The results show that the test method can effectively delineate karst area, determine the water-rich rock formation, and fast position and judge the abnormal area caves, landslides and other anomalies. Technology research provides a new technical support for the safety construction of tunnel karst geological conditions, which has important application value for the construction of tunnel engineering.

tunnel cave; parallel resistivity method; data processing; application analysis

1672—7940(2016)02—0166—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.005

国家自然科学基金项目(编号：41172137)

周文龙(1991-)，男，主要从事工程与环境勘探方面的研究。E-mail：553072468@qq.com

P631.3

A

2015-12-12