基于直流电阻率法探测隧道上覆地层赋水性

2019-05-13杨振威李宏伟

中国煤炭地质 2019年4期

沈哲，杨振威，李宏伟

(1.河南省煤田地质局，郑州 450046； 2.河南省煤田地质局院士工作站，郑州 450046；3.河南理工大学资环学院，河南焦作 454000；4.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南焦作 454000)

黄土塬区的黄土属于一种特殊的岩土，可分为老黄土和新黄土，于新生代第四纪堆积，老黄土包含古土壤层、钙质结核层，致密性强、孔隙率低，地基承载力高，一般不具湿陷性；新黄土可分为风积黄土和二次堆积的全新统黄土，全新统黄土层主要为洪积、冲积、山地斜坡的坡积和重力堆积，土质疏松、均匀，且存在承载力较差、孔隙率偏高，湿陷性强等严重工程地质问题[1-2]。

黄土隧道的建设和维护过程中都会面临隧道变形、地表沉降和新黄土湿陷性等威胁，基于黄土地层的隧道可能发育较大空隙、柱状节理，且渗水性强，对洞身影响很大。隧道上方地表水文地质条件的改变，会引起原本干燥的隧道洞身赋水性增加，严重者可出现隧道顶板淋水、变形，甚至顶板垮塌，极大的威胁隧道通行人员和车辆的安全[3-5]。

河南西部某库区黄土隧道顶板埋深约30～50m，建成于20世纪70年代，近几年来，随着地表人文地质环境的改变，出现了隧道顶板淋水、变形等情况，严重威胁着洞身安全，为查明隧道上方地层赋水性特征，进而采取有针对性的治理措施，在隧道上方区域开展了直流电阻率法探测，限于地表地形起伏特征以及厂区、道路等人文设施，采用了偶极—偶极装置对研究区进行了常规直流电阻率探测，查明了上覆地层赋水性特征，为黄土覆盖区地层赋水性探测等工程地球物理勘探技术研究，进而解决工程地质问题提供了一定的借鉴意义。

1 地质概况

研究区隧道内壁距B口约30m处可见浸水痕迹，隧道口附近受风化作用影响，隧道内砖表面存在阴干现象，可见水浸痕迹阴干后的白色物质沿砖缝显示，经化验证明为水浸后钙华的渗出物。整个隧道内整段均有此现象存在，浸润程度不一，部分地段砖块表面脱落，出现大面积红色新鲜面，指示隧道内受上覆黄土地层中的水浸润时间长，遭受水害破坏严重。隧道内壁距隧道A口50m内未见淋水影响痕迹，且内砖壁保持完好，隧道内鼓和砖块表面保存完整，亦未见水浸现象。

隧道上方地表呈阶梯状，B口方向地势较高，地面高程207.91m，高于隧道地面40～60m。地表具有黄土区地貌特征，冲沟、垂直节理较发育，且可见高角度边坡、陡砍和峁梁地形。

地表沿隧道走向方向为台阶状地貌，西北侧有建筑物，且隧道上方有一水仓。水仓南侧的建筑物和水泥硬化地面，造成大气降水汇集于水仓南侧黄土地层中，形成冲沟、塌陷坑和地裂缝。部分积水和大气降水沿地表径流进入沥青大路两侧排水沟内，顺沟渠流向东南方向。

隧道上方沥青道路两侧均修筑有排水沟，沟内壁前期为浆砌石结构，为防止水下渗，后期在排水沟内铺设防渗层。路南侧为公路边坡，属黄土边坡，边坡构筑有拱形防护措施，路基边坡上可见大气降水和地表径流形成的小型冲沟，亦可见大气降水下渗后浸出的白色钙华浸出物[6-7]。

沥青路护坡下方为一公司生产厂区，隧道穿过位置地面标高198.59～199.09m，隧道A出口距地面高差约50m。厂区内道路为水泥硬化路，且建筑物较多，厂区南部有体育活动场地，西南侧有一5层大楼直接压覆于隧道上方。整个厂区硬化面积较大，其它区域为耕地，农作物为小麦，野外踏勘恰逢麦田灌溉，地表湿润。厂区硬化路面、建筑物和麦田灌溉等不利条件对现场探测带来了一定影响，如图1所示。

图1 直流电阻率法勘探测线布置图Figure 1 Galvanic resistivity method prospecting line layout

2 数据采集与处理

为探测隧道上覆地层赋水性特征，考虑到地球物理方法原理和目标探测深度，采用直流电阻率法作为本次探测方法。直流电阻率法是通过供电电极在地下建立直流电场，利用接收电极接收地下一定深度范围内的电场，再通过资料整理、去噪等数据处理，并进行了反演、成图，研究地下一定测深范围内电性结构特征的地球物理方法。

基于测区地表地形起伏较大，建筑物分布密集的现状，采用直流电法的偶极—偶极装置进行数据采集，偶极——偶极装置又称做轴向偶极装置，即供电和接收电极都采用双电极顺次排列，并沿测线布设，保持供电电极(A、B)和测量电极(M、N)的相对位置不变，完成一次数据采集后，沿测线向前移动，完成一次剖面测量后，增加电极距，再进行一次剖面测量，将供电电极和接收电极的中点作为数据采集记录点，该装置形式融合了剖面测量和测深测量的优点，可用于研究沿测线地下一定深度范围内的电阻率结构变化特征。数据采集方法如图1、2所示[8-9]。

图2 偶极—偶极探测装置形式示意图Figure 2 A schematic diagram of dipole-dipolearray prospecting installation

图3 野外跑极方式示意图Figure 3 A schematic diagram of field devicemulti-electrode electrical method

为探查隧道上覆地层赋水性特征，在地表垂直隧道走向共布设4条测线，限于地表建筑物影响，并考虑到探测深度，测线长度并不一致，但线长基本满足探测深度要求。测线布置与隧道相对位置关系如图1所示，测线及测点工作量如表1所示。

表1 测线及测点工作量表

3 数据处理与解释

物性差异是进行地球物理勘探的前提条件，对于直流电阻法，地下岩(土)层存在电阻率差异是获取电性异常的基础，笔者搜集了黄土覆盖区主要土壤类型不同含水性条件下的电阻率[10-13]，如表2所示，不同地层电阻率差异较大，即使是黄土地层，在赋水性不同的情况下，电阻率差异依然较大，此特性为进行直流电阻率勘探提供了物性基础。

表2 华北地区不同类型土壤电阻率参考表

经过野外数据采集、室内资料处理，结合测区地质特征和野外记录，对4条测线数据进行了剔除突变点、圆滑等常规数据处理过程[14-15]。

经过数据处理后，本次研究采用了拟断面图对数据进行解释，成图过程为对视电阻率数据不经反演，直接进行插值处理，由Surfer软件生成电性剖面图，图形横轴为测点位置，即供电电极与接收电极间的中点O作为数据观测点，纵轴为测深点，深度为供电电极与接收电极间距离的1/2，如图4所示。

图4 野外采集数据记录观测点示意图Figure 4 A schematic diagram of field dataacquisition record observation points

最后得到4条视电阻率拟断面图，如图5-图8所示。4幅电阻率断面图电性特征明显，且具有较强的可对比性。11线断面图纵向上电阻率差异性强(图5)，由地表至地下，电阻率值逐渐增大，至-45m处，电阻率达到极大，结合测线与隧道的相对位置图，不难发现，在隧道所处位置，电阻率达到极大，即电阻率极大值处与隧道位置较吻合，由于隧道属空气层，其电阻率较上覆地层大，推测11线电阻率断面图深部高电阻率区域为隧道所在区域。

11线断面图-35m以浅地层电阻率整体偏低，-20～-35m，电阻率为10～60Ω·m，与下伏高阻区界限明显，显示该区域具有一定的赋水性。

图5 11线电阻率断面图Figure 5 Line 11 resistivity section

12线电阻率断面图如图6所示，12线电阻率整体偏低，仅存一高阻体，且与隧道位置大致吻合。值得注意的是，在隧道东侧(图中左侧)，存在一电阻率极低带，电阻率值不大于10Ω·m，推测具有较强的赋水性，需引起一定的注意。

沿测线50m附近区域，纵向上，电阻率变化不大，呈带状分布，电阻率值整体在10～20Ω·m，且由-15m向下延伸至-40m，推测此区域导水的可能性大。

图6 12线电阻率断面图Figure 6 Line 12 resistivity section

13线电阻率断面图如图7所示，13线电阻率整体偏高，且变化范围不大，最大不超过200Ω·m。高阻区域位于沿测线40～45m、测深-35～-40m附近，其且与隧道位置基本吻合。整体来看，低阻区域零星分布，需要指出的是，在图中标示隧道上方-20m区域，电阻率为20Ω·m左右，且向上延伸至地表。

图7 13线电阻率断面图Figure 7 Line 13 resistivity section

14线电阻率断面图如图8所示，该断面图纵向上具有层状特征，由地表至地下-35m处，电阻率逐渐变低，至-35m处，电阻率达到极低，受厂区内建筑物分布及地形限制，14线测深未达到隧道所在深度，但需要指出的是，14线电阻率断面图整体偏低，从地球物理的角度指示了14线隧道上覆地层整体赋水性强，需要引起注意。