高密度电法在某隧道勘察中的应用

李世权

（苏交科集团（甘肃）交通规划设计有限公司，兰州730030）

1 引言

隧道工程勘察的主要目的是查明地层岩性、土岩界面、水文地质条件等。但是，隧道一般处于地形地貌高差较大区域，实际勘察中钻探难以达到预期目的，主要原因为钻探布孔存在一定片面性，无法对隧道形成面的勘察，工作成果仅是一个个点[1]。

图1 隧道进口地形地貌

图2 隧道出口地形地貌

2 隧址区地质概况和地球物理特征

2.1 地形地貌

隧址区属于构造侵蚀（剥蚀）中低山地貌，海拔一般为摘要m～摘要m，相对高差一般为100m～300m，地形起伏相对较大。隧址区最高点高程为摘要.76m，最低点位于隧道出口，高程为摘要.57m，相对高差达86.17m。隧道进口段标高在摘要.57m～摘要m，地形坡度一般35°～55°，斜坡上基岩裸露。隧道出口段标高在摘要m～摘要m，洞前斜坡地形坡度25°～38°，斜坡上马兰黄土出露[2]，如图1 和图2 所示。

2.2 工程地质概况

隧址区分布的地层主要为第四系上更新统风积层及前寒武系地层。揭露的地层岩性从上到下依次为：

马兰黄土：浅黄色，土质颗粒较均匀，以粉砂为主，大孔隙显著，垂直节理发育，层中钙质结核小而少，常零散分布。黏土矿物主要是伊利石、蒙脱石和少量高岭土、针铁矿等，稍湿，稍～中密，主要披覆于山体斜坡表部及山顶部位。

片岩：隧址区主要地层主要物质，局部夹有花岗岩侵入体；灰黑色，片状构造，主要成分为石英、黑云母、长石等，层面产状15°∠40°。根据风化程度其分为强风层和中风化层，其中中风化片岩、岩质较为坚硬，岩体较为完整，钻孔岩性多呈柱状、短柱状，强风化层岩质较软，岩体较破碎，岩芯多呈块状、短柱状[3]。

2.3 地球物理特征

自然状态下，岩土电阻率除了和组分有关系外，还和其他诸多因素有关，如岩石的结构、构造、孔隙度及含水性等。受以上综合因素影响可形成岩土电性差异。

外业工作期间测区内无雷雨、电磁及各种震动干扰，有利于高密度电法的开展，被测量的地层及岩层之间电介质性质不同，同时，各被测量相对于埋深有一定的厚度，这对各层位及覆盖层厚度的测量和分层形成有利条件。从覆盖层岩性及基底岩性上看，各层的电介性质不同，满足高密度电法勘探的工作要求。

3 野外探测方法及数据处理

3.1 探测方法

在探测中采用重庆地质仪器厂研制开发的DUK-2A 型高密度电阻率测量系统，对场地进行布线测量，测量中使用α 电极排列方式（温纳装置AMNB），点间距5m，该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图3 所示。

图3 α 电极排列简图

测量断面为倒梯形。测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

3.2 数据处理

采集结束后将原始数据导入计算机，进行数据处理，数据的处理包括数据预处理和数据反演。数据预处理包括原始数据编辑与合成、剔除异常点、进行地形校正等环节，反演处理采用国际上较优秀的一套高密度电阻率数据二维反演软件Geogiga RImager，使用快速最小二乘法对电阻率数据进行反演，得到各测线电阻率直观剖面，通过对剖面的解译探寻地下隐伏断裂及地层分布、不良地质[4]。

4 资料解释

高密度电法勘探依据岩土层对直流导电时电阻率的差异，地下地层由于成因环境不同，受构造运动的影响，从而在纵向和横向上产生视电阻率的变化。

在断面上，分析电阻率等值线密集带或横向斜率突变带，说明在该处两侧存在不同地质体，往往是不同电性地质层的分界处或断裂带。

在资料分析中，判别异常区主要是根据电阻率值变化及电阻率等值线形态等综合因素考虑[5]。

5 成果分析

本次外业测试在隧址区沿隧道走向布设1 条纵向测线，测线长150m。由于受地形地貌的限制，剖面线不能完全直线布置，对工作成果形成一定影响。

根据物探反演成果表明，隧址区横断面土岩分界面大致在K23+530，该断面显示土岩电阻率差异明显，较好地区分该处地层。结合后期钻探显示，物探测试揭露地层基本符合实际地层。

根据反演电阻率断面在10m～50m 为小里程段K23+490～K23+530，该段落表层覆盖层为黄土，下部为强～中风化片岩，因黄土土质较疏松且受大气降水影响，其电阻率值相对较低，根据反演结果可知该段覆盖层厚为15m～20m。

电阻率断面在50m～135m 为K23+530～K23+615，该段呈现低阻体且厚度较大，结合现场情况分析，该处为一山脊，地层为黄土，厚度较大[6]。

在K23+530～K23+580 电阻出现明显区别时，初步判断该处为纵向土岩分界面，如图4 和图5 所示。

图4 隧址区纵断面图

图5 测线视电阻率及反演电阻率断面图

6 结语

通过本次高密度电法勘探，从以上剖面的解释结果及纵断面图对比分析，可以看出基本查明了测线范围内土岩界面。在确定该隧道土岩界面勘察上起到了直观而有效的作用，为后期的设计、施工处理提供了可靠的依据。

高密度电法有其独特的优越性，如自动化程度高、工作效率高、异常形象直观等优点。但高密度电法也有缺陷：（1）受到供电电流、电缆长度、测量灵敏度的影响，实际排列长度和勘察深度十分有限。当勘探深度加大时，分辨率随之降低，如提高分辨率则勘探深度又受到影响。（2）剖面两端的实际有效深度都小于最大深度，越靠近两端越浅。（3）解释深度不能准确反映实际深度。因此，采用该方法野外施工时，还需要结合地质调查和钻孔资料来综合判定。

高密度电法具有效率高、能够快速获取测线下方电阻率分布、地电信息丰富、直观、成本较低等优势，可划分出土岩界面，能有效指导隧道的设计与施工，是工程地质勘察中一种行之有效的方法。