地铁勘察中电阻率的测试方法

孔宪和

摘要：电阻率原位测试通常有二种方法，一是在地面进行，采用对称四极法，另一种在工勘钻孔中进行，即电阻率测井。本文论述了各自的准确性和适宜性。

关键词：地铁;电阻率;对称四极电测深;测井

一、概述

大地电阻率是地铁工程接地计算中的必要参数，直接影响接地装置接地电阻的大小、地面电位分布和跨步电压，为了合理设计接地装置，必须对大地进行电阻率测试。

电阻率测试通常有二种方法，一是在地面进行，采用对称四极法，另一种在工勘钻孔中进行，即电阻率测井。前者地面测试需要较长的地面电性均匀的场地，而地铁勘察通常在城市建筑物密集区域，难以满足测试要求，影响测试精度;后者在施工后的鉆孔中进行，钻孔较浅，测试精度受低阻钻井液的影响较大。本人通过在南京、苏州等地铁勘察电阻率测试中对地面和钻孔电阻率测试数据进行对比，分别确定了地面和钻孔电阻率测试数据各自的准确性和适宜性。

二、测试方法的选择及数据解释

1、地面测试

在地面场地条件允许的条件下，结合工勘钻孔资料地层电性层简单，选择地面对称四极电测深法方便易行，施工不必等候钻孔，一天可测试多个场地，一般地铁开挖深度在30米左右，电测深最大AB/2为勘察深度的2倍，电极距见下表。

电测深电极距表

AB/2（米）

3

5

7

10

15

22

34

50

70

MN/2（米）

0.5

0.5

0.5

0.5

3

0.5

3

3

3

3

3

测量结果绘制成双对数电测深曲线，结合工勘钻孔划分的电性层进行解释，电性层简单可以可以通过量板定量解释，稍复杂可以通过电脑软件正、反演定量解释，均可获得目的地层较精确的电阻率值。

2、钻孔测试

如地面场地条件不理想，则易在工勘钻孔中进行。在钻孔测试电阻率要受到井眼、围岩、层厚、泥浆（冲洗带、侵入带）及测井仪器本身等多因素的影响。

⑴电阻率测井探测深度

电阻率测井探测深度是指探测器的横向探测深度，对于普通电阻率测井来说，以供电电极为中心，以某一深度为半径的球面内包含的介质对测量结果贡献为50%时，此半径为探测深度。

梯度电极系：探测半径为1.4。如：M2.25A0.5B表示双极供电正装梯度电极系，其中L=2.5m，探测深度3.5m;

电位电极系：探测半径为2。如：A0.5M2.25N表示单极供电正装电位电极系，其中L=0.5m，探测深度1.0m。

⑵电阻率测试的影响因素

①电极系的影响

不同的电极系测得的视电阻率曲线不同，即使对相同电极系来说，尽管地层模型相同，测量条件相同，如果电极距不同，得到的曲线也会有较大差别。

根据普通电阻率测井的探测深度定义可知，电极距不同也就是说它的探测深度不同，受到井眼和围岩的影响也就不同。探测深度小，受井眼影响较大，受围岩的影响较小，测得的视电阻率曲线幅度较低（对高阻层来说）;探测深度大，井眼的影响相对减弱，而围岩的影响又逐渐增大，降低了曲线的分辨率，也会给目的层测得的视电阻率曲线造成较大影响。

因此，选用的电极系电极距不能太大也不能太小。

②井的影响

由于井内泥浆电阻率比剖面上高阻岩层的电阻率低得多，从而对电极系供电电极造成的电场分布起分流作用。主要有以下两个方面：

井径的影响：井径越大，探测范围内低阻泥浆越多，对测量结果影响越大，视电阻率越低;

井内泥浆电阻率的影响：泥浆电阻率低时，由于分流作用增强，也使得视电阻率曲线幅度降低。

③围岩和层厚的影响

电极系选定后，电极距一定。渗透层（地层）厚度不同，视电阻率曲线也会出现差异。地层薄，低阻围岩的影响就会加大，视电阻率曲线值幅度偏低。

④侵入影响

泥浆侵入造成渗透层径向电阻率分布的变化，出现了冲洗带、过渡带和原状地层，井壁还有泥饼的存在。

冲洗带：岩层孔隙中的地层水全部被泥浆滤液取代，电阻率用RXO表示;

过渡带：岩层孔隙中的地层水部分被泥浆滤液取代;

原状地层：未受到泥浆的影响。

⑶视电阻率曲线的解释

梯度电极系探测深度大，受钻井液影响小。因此，测试电阻率宜采用梯度电极系，本文讨论梯度电极系曲线。

①梯度电极系理论曲线

电测井理论公式

由于理想梯度电极系（或）为无穷小，此时M、N（或A、B）和记录点O合为一点，视电阻率公式可写为：

其中Eo是记录点O处沿井轴方向的电势的梯度，令，且有，則视电阻率公式为：

Ro为记录点O所在处的介质的真电阻率，jo为记录点O处的实际电流密度。

由公式可以看出，在测量条件不变的情况下，所测的视电阻率值与记录点处的实际电流密度、记录点所在介质电阻率成正比。

图1  底部梯度理论曲线

下面由图1来说明电极系在井中提升的过程中，视电阻率的变化。设一高阻层，其电阻率为，厚度为，上下围岩相同，电阻率为，忽略井的影响。第一阶段，在下部围岩离高阻层较远处，相当于电极系在电阻率为Rs的均匀介质中，视电阻率测量结果不受高阻层的影响，因此为一直线，Ra=Rs，到a点为止;

第二阶段，仪器上升到离高阻层较近时，Ra受到高阻层的影响，对电流有排斥作用，使记录点处的实际电流密度增加，此时jo>joj，并且越靠近高阻层，jo呈上升趋势，所以Ra值增大，到达高阻层底界面时，电阻率到达b点;

第三阶段，仪器上升到记录点离高阻层一倍电极距以内时，A电极流出的电流在界面法向上连续，Ra值只与界面两端的介质的电阻率有关，，直到记录点进入高阻层，得到曲线bc段;

第四阶段，记录点进入高阻层以后开始一段时间内，记录点处的介质

电阻率突然由Rs增至Rt，并且由于下面围岩的电阻率较低，对电流有一定的吸引作用，因此记录点处的实际电流密度jo要大于joj，由公式看出，Ra>Rt，因此在界面处形成了视电阻率极大值，即曲线的cd段，故极大值可确定地层界面;

第五阶段，随仪器的上升，Ra受下部围岩的影响逐渐减小，Ra也逐渐减小至高阻层实际电阻率Rt止，曲线到达e点;

第六阶段，在高阻层内远离上下围岩的一段距离内，Ra保持不变，为高阻层的实际电阻率值。

第七阶段，随仪器的上升，Ra逐渐受到上部围岩的影响，使jo减小，Ra逐渐变低。

第八阶段，记录点上升到离上界面一倍距离内，视电阻率值保持不变，且主要受到上下介质电阻率的影响为直到记录点到达上界面处。

第九阶段，记录点进入上部围岩，此处的电流由于受到高阻层的影响，实际电流jo较joj小，且记录点处的介质电阻率突然由Rt变为Rs，因此曲线急剧下降到i点，且Rt

第十阶段，记录点远离高阻层而不受其影响，此时Ra为一直线段值Rs。

这是底部梯度电极系在较厚纵向阶跃介质视电阻率曲线特征的理论依据，由极大和极小值点可以确定高阻层的底界面和顶界面深度;而顶部梯度电极系视电阻率曲线具有相反的特征。

②岩层视电阻率读取方法

高阻厚层：取视电阻率曲线中间的平直部分的平均值。

中等厚度的高阻层：去掉屏蔽区取面积平均值法，在底部梯度电极系视电阻率曲线上，在高阻层内距顶界面一个电极距范围内，视电阻率值低，这个范围叫盲区或屏蔽区。读数时去掉这部分，找一条与井轴平行的直线与视电阻率曲线相交，使得视电阻率曲线在交点两侧与直线围成的面积相等。

三、结论与认识

1、在地铁勘察中的电阻率测试的方法根据场地条件采用地面电测深法或者电测井法。

2、地面电测深法方便、费用相对低，在场地条件许可，地性层简单情况下优先采用。

3、采用工勘钻孔电测井法，应采用梯度电极系，如M2.25A0.5B双极供电正装梯度电极系探测深度达到3.5m，基本反映原状地层的电阻率。

参考文献：

[1]傅良魁主编：1991年，应用地球物理教程[M]，地质出版社

[2]尉中良、邹长春编著：2005年，地球物理测井[M]，地质出版社