应用综合电阻率法勘察隐伏断层

蒋全科, 雷　宛, 黄霄寒, 慕　阳, 余　凯

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.四川省交通运输厅 交通勘察设计研究院，成都 610017)

应用综合电阻率法勘察隐伏断层

蒋全科1,2, 雷宛1, 黄霄寒1, 慕阳1, 余凯1

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.四川省交通运输厅 交通勘察设计研究院，成都 610017)

[摘要]探讨隐伏断层在复杂地质条件下的具体位置和形态,进而保障隧道开挖施工的顺利进行。采用综合电阻率法探测拉林线某隧道开挖纵断面顶部的断层发育状况，通过对复杂地质条件下视电阻率异常的综合解释，结果表明“串珠状电阻率异常”和“大小极距交点位移”真实地反映出隐伏断层所在的位置和形态，且通过钻探得到了验证。对隧道隐伏断层的地球物理勘探手段应以综合电阻率法为主。

[关键词]高密度电阻率法；断层；隧道；联合剖面法；视电阻率

隐伏断层是隧道施工中最常见的不良地质条件，断层破碎带分布区域也是隧道围岩最不稳定的区域之一，断层对隧道开挖施工的影响主要表现在：(1)断层降低围岩整体强度；(2)断层改变了岩体的物理学性质。所以断层是造成隧道塌方、涌水突泥、大变形等隧道施工地质灾害的主要原因之一[1,2]。

断层属于隐伏构造且在地下一定深度的范围内，不易采用传统的地质手段来观察，且在大多数情况下由于岩石破碎、裂隙发育且往往充水充泥，与围岩相比，断层一般具有较低的电阻率[1-3]。因此构成了使用电法勘探的必要条件。

在本次隧道工程地质勘察中采用高密度电阻率法和联合剖面法进行综合勘探。其中高密度电阻率法具有采集信息量大、观测精度高、探测速度快和探测深度较深等优点被工程物探人员广泛使用，而联合剖面法对于直立或者以一定角度倾斜的低阻脉状体具有很好的观测效果[4,5]。

1工作原理

1.1高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种阵列式的勘探方法，它同时具备电剖面法和电测深法的特点。在常规的电阻率法勘探中，为测定均匀大地的电阻率，通常采用对称四级装置，即建立供电电极A、B和测量电极M、N，利用相关仪器测量M、N之间的电势差ΔUMN和A、B回路中的电流I，根据电学中的定义，可以写出ΔUMN的值为

(1)

式中:I为电流强度；ρ为均匀大地电阻率。

由式(1)可以导出均匀大地电阻率的计算式为

(2)

式中K称之为装置系数，

装置系数K的大小仅与供电电极A、B和测量电极M、N的相互位置有关，当电极位置固定时，K即可确定。

在实际工作中，常遇到的地电断面一般是不均匀且比较复杂的，当采用(2)式计算电阻率的时候，所得到的结果是在该电场分布范围内各种岩石电阻率的综合影响值，称之为视电阻率，并且用ρs表示。因此，视电阻率的表达式为[1,4,5]

(3)

式中:K为装置系数；ΔUMN为测量电极M、N之间的实际电势差；I为供电回路A、B的电流强度。

高密度电阻率法就是基于上述原理，现场工作时在预先选定的测线和测点上，同时布置60或者120根电极，然后利用多芯电缆将它们连接到转换器上，电极转换器将这些电极组合成为指定的电极装置和电极距，进而用自动电测仪快速完成多种电极装置和多电极距在观测剖面的多个测点上的电阻率观测[8]。高密度电阻率法常用的装置类型如下。

a.温纳对称四级装置AMNB(w-α)。它比较稳定，横、纵向分辨率较好，抗干扰能力较强。一般高密度电法勘探中，温纳对称四级装置的使用率极高。

b.温纳偶极-偶极装置ABMN(w-β)。偶极装置对垂向电性变化最灵敏，适用于测量垂向电性变化较大的地质剖面[8]。

c.微分装置AMBN(w-γ)。微分装置对地形的要求很严格，当地形有起伏的时候，效果并不理想，所以一般情况下不用微分装置的结果作为主要判别的标识。

1.2联合剖面法

图1　联合剖面法装置示意图Fig.1　Scheme showing device of composite profiling method

联合剖面法是利用联合剖面装置(AMN∞MNB)，如图1所示，它由2个对称的三级装置组成，故称为联合剖面装置。其中供电电极A、B和测量电极M、N位于同一条测线上，以测量电极M、N的中点为记录点，且极距满足关系式：AO=BO,MO=NO。电源正极可分别接至A极或B极，负极接到置于无穷远的C极。C极要垂直于测线方向布置，且CO>5AO。工作中应保持电极间的距离不变，沿测线在每一个点上分别测量A、C极供电和B、C极供电时的电流强度和电位差，然后按照下式求出2个视电阻率值[4,5]

(4)

(5)

式中 K称之为装置系数

联合剖面法主要用于寻找产状陡倾的层状或脉状低阻体或断裂破碎带[4]。根据联合剖面装置的特性，可知理论上ρs,A和ρs,B曲线是完全对称的，可根据不同极距的联合剖面的ρs曲线的交点位移情况来判断地质体(岩层或断层)的倾向。其中小极距能反映出浅部情况，大极距能反映出深部情况。大极距相对于小极距的低阻正交点的位移越大，则地质体倾角越小；大小极距位移方向代表地质体倾向。对浅层向右倾斜低阻脉状体模型，其理论电剖面曲线如图2所示[5]。

2工程实例

2.1工区工程地质条件

2.1.1概况

隧道位于青念青唐古拉山与喜马拉雅山之间的藏南谷地高山区。区内山势雄伟，测区内高点位于隧道轴线左侧山脉，海拔高度为4 400 m；最低点位于隧道进口宽谷地带，海拔高度为3 550 m。隧道纵断面海拔高度为: 3 560～4 370 m。隧道进、出口有乡村公路相通，交通较方便。

图2　倾斜低阻脉状体模型的理论电剖面曲线示意图Fig.2　Diagram demonstrating the model of theoretical electric profile curve of slope low-resistance vein body

2.1.2隧道洞身工程地质条件

隧道洞身主要穿越古近系始新统溶母棍巴单元中粒角闪黑云二长花岗岩(E2R)、白堆单元中粒斑状角闪黑云二长花岗岩(E2B)、畜牧单元中-细粒少斑状黑云花岗闪长岩(E2X)；上白垩统门朗单元中-细粒角闪黑云石英二长闪长岩(K2M)，岩性破碎，岩质坚硬；基岩段地下水贫乏，出口段卵石土及砂层地下水丰富；构造发育，隧道DK169+000～DK172+280段存在岩爆可能性：洞身工程地质条件差。

2.1.3工区的地质构造

隧址区基岩大部份裸露，各岩层间为角度不整合接触。区域性断裂构造发育，洞身依次穿越有拉龙-藏噶性质不明断裂和沃卡-罗布莎断裂。

受构造影响，岩体较破碎。隧道进口端基岩节理的产状为：N30°W/84°S； E-W/78°N；N5°E/40°N。隧道出口端基岩节理的产状为：N70°W/78°S；N67°E/77°S；N10°E/42°S。

2.1.4水文地质特征

a.地表水

隧址区地表水主要为沟水，雨季及冰雪融化季节沟中有流水，枯水季节沟中无水。

b.地下水

按地下水赋存条件分为2种类型：第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。

基岩孔裂隙水主要分布于闪长岩、花岗岩中，其水量大小主要由岩层分布面积及孔裂隙率大小控制。总体上看，由于受到雅鲁藏布江河谷深切作用，隧址区内地下水埋深大，属于中等—弱富水性，主要接受大气降水入渗补给。雅鲁藏布江河是区域内最低排泄基准面，地下水接受大气降水入渗补给后，通过地下径流，最后向雅鲁藏布江河谷排泄。

2.1.5地球物理条件

在正式展开工作之前，必须对工区内不同岩石的电性参数进行大概了解。通过岩样取心进行了物探电性参数实测，得到工区电性参数(表1)。

表1　工区主要岩性电阻率值

由此可见，断层破碎带与围岩之间存在明显的电阻率差异，具备进行高密度电阻率法勘探的地球物理条件。

2.2野外施工方法和技术

本次勘探所跨越的隧道工区里程为DK171+694到DK171+839。工程地质勘察资料上显示，F5-2断裂带全长约60 km，近SN向-NE向展布，倾向W或NW，具正断性质。沿断裂，断层三角面及陡崖地貌十分发育，遥感影像上线性特征十分明显。该断裂控制沃卡盆地东侧边界，为Q4活动断裂。

根据相关的工程地质资料和地形地质物性条件，并且对3种装置的实验结果进行对比，决定采用温纳对称四级装置进行详细勘探，采用联合剖面法进行辅助勘探。由于断层在垂向具有一定的延伸性，且考虑到隧道洞身的宽度一般不超过10 m，为保证此次勘探结果具有一定的精度，因此采用一条主测线、一条旁测线的测量模式，考虑到隧洞的宽度，主测线位于隧道的垂向正上方，旁测线平行于主测线偏移5 m的距离。由于探测深度>10 m，故使用高密度电法时宜采用的点距Δx=5 m，电极为60根，测线长度为300 m，最大供电电压为360 V。

使用联合剖面法进行勘探时，其测线应与高密度电阻率法勘探的主测线相重合，坐标原点相重合。为保证一定的勘探深度，联合剖面采用大极距AO=BO=90 m，MN=点距=5 m，小极距AO=BO=50 m，MN=点距=10 m进行勘探，用以查明地下断层的大概位置与倾斜程度，并且将所得到的结果与高密度电法勘探所得到的结果进行比对和综合解释。本次勘探的测线布置如图3所示。

2.3资料处理与成果解释

2.3.1资料处理

高密度电阻率法由于勘探数据量巨大，所以一般采用专用的处理软件在计算机上进行处理并最终成图。本次勘探中所采用的是瑞典开发的Res2DINV反演软件，将从野外采集到的原始数据经过格式转换后，通过该软件进行处理。这其中主要包括滤波处理、地形校正等内容，然后采用平滑约束最小二乘法进行反演生成反演图像，得到视电阻率的相应色谱图；最后通过反演图像对地下地质现象进行合理的解释，并辅以联合剖面法所得到的数据进行综合解释。

图3　综合电阻率法勘探测线布置图Fig.3　Map showing the prospecting line layout for multi-resistivity method

2.3.2成果解释

a.高密度电阻率法的主测线剖面

b.高密度电阻率法的旁测线剖面

图5为拉林线藏噶隧道横跨DK171+694至DK171+839段的高密度电阻率法勘探旁测线Ⅲ的结果。与主剖面相比可以看到，地下地电断面的电阻率分布情况有所改变，这主要表现为在测线坐标120～160 m，深度15 m之后的区域电阻率呈现出相对低值，但断层异常还是十分明显，仍旧是在图中所标断裂带的左右两端呈现出“串珠状”的电阻率异常分布，且串珠之间的狭长异常带的电阻率明显低于串珠内部的电阻率。该断层几乎直立，略倾向E或NE，与测线近垂直相交，具正断性质。

图4　主测线Ⅰ高密度电阻率法勘探成果Fig.4　Results of high density resistivity prospecting main line Ⅰ

图5　旁测线Ⅲ高密度电阻率法勘探成果Fig.5　Results of high density resistivity prospecting side line Ⅲ

c.联合剖面法辅助勘探

图6　联合剖面法成果图Fig.6　Results of composite profiling method

图6为联合剖面法勘探的成果。测区内地形较平坦，可以排除地形影响；大小极距低阻体正交点异常幅度变化不大，根据大极距正交点的位置(110 m)相对小极距正交点的位置(115 m)向大号方向移动了5 m的特征，推测断层倾向测线大号的方向，断层的倾角大约为85°，图中所示的地质简图给出了断层的推断倾向。此外，图6所示联合剖面法所得到的电剖面曲线与图2所示倾斜低阻脉状体模型上所计算出的理论曲线几乎完全吻合，这对该成果解释的准确性提供了重要的理论依据。

3结 论

本文通过采用高密度电阻率法和联合剖面法相结合的综合电阻率法查明了拉林线某隧道DK171+694至DK171+839段纵断面正上方存在的断层构造，所得到的结果相对清晰。对比拉林线相应隧道的工程地质说明和钻探验证的结果来看，综合电阻率法得到的结果与实际基本一致，说明综合电阻率法是隧道工程地质勘探中比较有效的探测手段。

a.高密度电阻率法是在地表覆盖层厚度一般<30 m时的详查断层首选方法，主要用于探测断层的位置、规模、延伸情况等。联合剖面法对直立或者有小角度倾斜的低阻脉状体的探测效果极佳。

b.利用高密度数据反演软件所得到的反演结果和联合剖面法不同极距的正交点位置，通过合理的物探解释，较准确地探测出了沃卡-罗布莎断裂F5-2断裂带在所在隧道开挖施工纵断面中的具体位置、规模及延伸情况，并且与实际地质考察资料、钻探资料基本吻合。

c.若工区工程地质条件更为复杂，仅用电法勘探并不能真实客观地再现地下的地质情况时，应采用诸如电磁勘探、测井、浅层地震勘探等多种物探方法进行综合解释，并采用钻探进行相互映证方能得到较好的地质勘探效果。

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An application of prospecting concealed fault with multi-resistivity method

JIANG Quan-ke1,2, LEI Wan1, HUANG Xiao-han1, MU Yang1, YU Kai1

1.StateKeyLaboratoryofGeo-hazardPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.SichuanCommunicationSurveying&DesignInstitute,Chengdu610017,China

Abstract:Exploring the position and characteristic of concealed faults in complicated geological environment is one of the important safety tasks for tunnel excavation. High density resistivity method and composite profiling method are used to prospect the concealed fault situation in vertical sections of the Lalin tunnel. Comprehensive interpretation of apparent resistivity anomaly in complicated geological conditions reveals that the particular position and dip of hidden faults prospected in the working area are reflected by beading shaped resistivity anomaly and displacement of big-small pole distance, which is proved by drilling exploration. It considers that comprehensive electrical resistivity method is a major geophysical exploration method for the exploration of concealed faults in tunnels.

Key words:high density resistivity method; hidden fault; tunnel; composite profiling method; apparent resistivity

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.15

[文章编号]1671-9727(2016)03-0378-07

[收稿日期]2014-12-30。

[基金项目]国土资源部地质大调查项目 (1212010733803)； 国土资源部青藏专项(1212010818089)；中铁工程局固西公路隧道超前地质预报(2-JF-2014_2-004)

[分类号]P631.3

[文献标志码]A

[第一作者] 蒋全科(1990-),男,硕士研究生,研究方向:道桥岩土工程勘察设计和道桥工程物探, E-mail:344071318@qq.com。