大功率多道电阻率测深在北京西部山区道路工程隧道勘察中的应用

张 健，贾小杰，刘媛媛，马晓辉，石 磊

（1.中国冶金地质总局 地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.内蒙古自治区地质环境监测院，内蒙古 呼和浩特 010000）

在铁路、公路等各种工程的设计及施工过程中，经常会遇到不良地质现象，如断层、岩溶、滑坡等，这些不良地质现象会对工程建设形成很大的潜在危害，可以对这些地灾隐患选用适当的物探方法进行勘察，先行预测。

为缓解北京西北部八达岭高速车流量拥挤压力，拟建北京兴延路段高速公路，工程设计及施工涉及多段隧道工程，根据相关任务，前期开展物探勘察工作，目的是探测主要地层岩性界线、地质构造，特别是探测断层产状、破碎带宽度以及岩溶洞穴、破碎软弱或富水岩体的埋深和规模，重点判识隧道洞身高程范围内的地质情况，为隧道的设计提供基础资料。

1 地球物理前提

粉土或碎石土与安山岩、安山玢岩、玢岩、以及凝灰质砂岩、火山角砾岩和白云岩、灰岩等岩性之间有着一定的电性差异，断裂构造附近岩石破碎其电阻率一般明显降低，断裂构造和裂隙发育带内往往成为地下水通道，与完整基岩相比电阻率会大大降低，电阻率的差异性，提供了电法勘探的地球物理前提。

2 方法选取

隧道勘察路段内高压线较多，电磁法受干扰严重。根据场地的地形、地貌特点，以及勘探深度的要求，本次勘察拟采用抗干扰能力较强的大功率多道电阻率测深法，在兼顾勘探深度和分辨率前提下，采用单极－偶极装置（三极）进行勘察。

相比于传统电阻率测深，大功率多道电阻率测深，除具有勘探效率高、数据密度大的特点外，还有一些独特的特点与优势：①探测深度深，由于使用大功率发射机，其可靠的勘探深度大大加强；②数据采集使用不极化电极，而并非高密度电法所用的金属电极，基本不受金属电极本身产生的自然电位的影响，极大的提高了数据观测精度；③接受机和发射机为分体式，可一点发射，多点同时接收，可根据地质任务灵活布设物探剖面。

3 装置特点及工作流程

装置特点：

大功率多道电阻率测深（三极）装置，充分利用了现代先进仪器的多通道性能，采用大功率发射源，外业观测时可以做到一点激发多点同时接收，在较短的时间内获得最大量的数据信息，从而提高了勘探精度及勘探深度，并且工作效率也大大提高，实质上是一种高密度的电法数据采集技术。采用三极测深装置，通过减小接收电极间距和加密供电，形成了高分辨率的地电断面。

应用单极－偶极装置，采用双边测量方式采集数据：就是供电电极可以在接收电极的两侧；它的特点是中浅部数据密度大，精度较高。在实际应用中可以根据具体地质任务所要求的探测深度，决定接收极距及接收范围。

工作流程：

根据工程任务的技术要求，确定MN=10m/20m/40m，30/40/50 道同时接收；供电无穷远极大于3 倍最大AO，一般大于3km；间隔系数：±0.5、±1.5、±2.5、…… ±15.5……。采用VIP5000/VIP10000 大功率激电仪器进行数据采集。

下图为30 道观测时，跑完11 个发射极的情况，工作中采用了正反向观测，即间隔系数除正值外，还具有反向间隔系数-0.5、-1.5、-2.5……-8.5（图中红点数据）。

图1 正反向观测图

由于接收机只配有10 道接收道，10 个发射极跑完，接受机需要到下一个测站位置接收，发射电极再接着往前跑极发射。依此循环，可完成整条剖面数据采集，形成整条测线的测深断面。

下图为测深断面数据点分布情况。

图2 单极－偶极测量装置示意图

在实际工作中，可以采用多台接收机同时多道接收，接收极距和跑极间隔可根据具体工程地质目的灵活调整，在满足技术要求的前提下同时提高工作效率。

4 资料处理

隧道勘察数据使用专业的反演软件进行有效处理，所运用的方法为有限元法，经过多次迭代计算。将原始数据中存在差异数据进行筛选出来，并将数据格式进行有效转换。

解释依据：

隧道勘察的电阻率等值线可以直观体现出断面的横向与纵向的电性变化情况，实际地质体电阻率表现特性的直观响应，所得数据是地质勘探理论依据。

工程地质形成环境有所差异情况下，并在地质构造发生变化的作用下，地层的横向与纵向上电阻率存在差异；另外，电阻率数值发生变化与地层的成因、成分有一定关联，还与矿石的密度、体积大小、含水量等相关参数有关系。通过研究矿石特征，可判断出地质构造、含水情况、地层分布情况等等。

在反演电阻率断面图上，电阻率等值线密集陡直（横向梯度变化较大），弯曲变形，说明在该处存在不均匀地质体，密集带往往是断层或不同电性层的分界处。

以下列几个隧道为例进行说明。

4.1 营城子隧道左线

该隧道地表出露主要有安山岩、玢岩、闪长玢岩和火山角砾岩。

从电阻率断面图整体电性分布情况来看，浅部电阻率等值线较为凌乱，高低阻相间，为表层覆盖土、风化岩石不均匀以及个别地段侵入岩体的反映；中、深部隧道洞身附近，除个别地段外，电阻率值大部分以中阻为主，推测岩石完整性较差。

其中37130 附近电阻率等值线变化剧烈，相对两侧较低，具有一定的延深，推断为断裂构造的反映，记为F1；37110 ～37150 段和37410 ～37460 段电阻率变为低阻，推断岩石破碎或岩性较差，含水，围岩等级为IV级，易发生冒顶、涌泥、涌水等事故，设计施工过程中应尤为注意。

37500 ～38250 段：该段地表出露的主要是火山角砾岩、安山岩、玢岩。该段浅部等值线分布杂乱，扭曲变形，横向连续性较差，推断岩石风化破碎、完整性较差、局部可能含水，深部等值线横向连续性行较好，推断围岩相对完整。洞身处大部分位于中阻，推断隧道围岩完整性较差，大部分为IV 级围岩。

37730 附近电阻率等值线变化剧烈，相对两侧较低，具有一定的延深，推断为断裂构造反映，依次记为F11；37730 ～37820段电阻率等值线变化剧烈，相对两侧较低，具有一定的延深，推断为断裂构造的反映，推断岩石破碎、含水，易发生冒顶、涌泥、涌水等事故，设计施工过程中应尤为注意。

图3 营城子隧道左线成果图

4.2 鹿角湾隧道横测线

该隧道地表出露主要有白云岩。

从电阻率断面图整体电性分布情况来看，浅部电阻率呈高阻，局部等值线较为凌乱，为浅层白云岩不均匀风化的反映；中、深部电阻率呈低阻。从出露情况分析，白云岩下部存在一层或多层较为破碎的灰黑色炭质夹层，根据露头处采集的物性分析，炭质夹层呈低阻，视电阻率值在120（Ω·m）左右，推断中、深部低阻体为破碎的炭质加层和白云岩的综合反映。图4 中1245 点附近电阻率等值线变化剧烈，相对两侧较低，具有一定的延深，推断为裂隙、断裂反映，倾向南东，与已知F1 断裂吻合；1345点位置隧道洞身埋深35 米左右，围岩等级为IV；图中1375 点、1415 点、1520 点和1600 点附近电阻率较低，且有一定的延深，推断为断裂、裂隙的反应，依次记为F2、F3、F4 和F5。

图4 鹿角湾隧道横测线成果图

4.3 梯子峪隧道横测线

该线地形较陡，岩性整体为白云岩。

从电阻率上看，整体可分为三层。一层，绿色虚线上方，电阻率整体呈高阻，等值线疏缓，推断白云岩较完整；二层，绿色和蓝色虚线中间，电阻率变低，等值线平缓，图5 中1100 点附近等值线剧烈变化，电阻率低于两侧，推断为断裂构造，标记为F6，推测此层构造裂隙发育，富水；三层，蓝色虚线下部，电阻率逐步变高，等值线平缓，推测为完整基岩。

图5 梯子峪隧道横测线成果图

除此之外，1040 点附近电阻率变低，等值线激烈变化，推断为断裂构造，标记为F5。

左、右洞身位于二层，岩体破碎，构造发育，富水，易发生崩塌、涌水等事故，施工中应注意，此外隧道开挖过程中，应力结构发生变化，表层白云岩体存在整体滑坡的灾害隐患，应予以重视。

5 结语

本次通过对多个隧道勘察的实例，说明采用大功率多道电阻率三极测深装置能够测定覆盖层、风化层的厚度及其基岩面的起伏形态，能够探测断层、地下溶洞等地质体的空间分布，具有电性响应强，分辨能力高，勘探深度大（可达到300m）等优点；相对于传统的四极电测深装置，数据量大大增加，布极更加的灵活，可根据勘探目的，进行灵活的调整，同时大大提高了外业的生产效率，符合工程勘察类项目任务紧的特点要求。