高密度电法在隧洞工程勘察中的应用

董 耀 肖 娟 刘 岩 金 路 王 巍

（1.河南省航空物探遥感中心，河南郑州 450053；2.河南省自然资源科技创新中心(地球物理深部探测研究)，河南郑州 450053；3.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

高密度电法属于直流电阻率法，在岩溶塌陷、采空区调查、风化层探测、地基勘察等工程勘察领域应用广泛。高密度电法是一种阵列勘探方法，也称为自动电阻率系统，是直流电法的发展[1]，其功能相当于电测探法与电剖面法的结合。高密度电法具有电距小、数据采集密度大的特点，反演的断面图能直观、形象地反映断面电性异常体的形态、规模、产状、埋藏深度等[2-4]。高密度电法不同装置系统在不同地球物理模型探测适应性[5-6]，通过断面电性异常体的形态、规模、产状，可以较准确地推测出地质体空间形态、地层岩性、断裂等情况，通过对温纳装置高密度电法视电阻率异常处理计算公式，可消除地形的影响[7-9]；高密度电法探测成本低、效率高，地电信息丰富且探测精度高，在适合探测区域内能够达到较好的效果[10]。

雷 宛等对高密度电法几种常用装置以物理模拟的方式分别从探测覆盖层深度、受地形起伏影响程度以及装置对地质体适应性等方面进行了研究[10]。本研究区的地形地质条件具有覆盖层较薄、坡度大等特点，在某山区隧洞上方风化三叠系砂岩面上开展不同装置（温纳装置、斯伦贝谢装置）高密度电法试验，可圈定隧洞上方的低阻地质异常体，为后期安全施工提供预警。

1 高密度电法基本工作原理

1.1 基本原理

高密度电法是直流电法的一种，遵循直流电阻率法的相关理论原理[10]。在野外勘探过程中通过A、B 供电电极供电，在地下介质中形成稳定的电流场并满足欧姆定律，并在测线下方形成稳定电流场I，分别测量接收电极 M、N 两点的电位 ΔU，其对应的地下介质电阻率 ρs符合欧姆定律[11-13]，见式（1）。

式中：K为装置系数[14-15]，原理上，装置系数的大小与电极之间的相对位置有关，在高密度电法野外施工过程中，当电极相对位置固定后，装置系数K值也确定了。

在对地下介质勘探测量时，无论电极A、B、M、N 之间相对位置怎么变化，式（1）均适用，针对不同的地质勘探任务，可选择对勘探有利的电极组合，这就是高密度直流电法本质特征[16]。

1.2 高密度电法装置系统

本研究采用温纳装置及斯伦贝谢装置，其工作原理为：

温纳装置的四极剖面装置电极是等间距的（AM= MN= NB 表示的电极间距），不同等电极距其对应深度不同。电极距AM、MN、NB 是等间距的，固定四级平行地面方向对地下介质扫描一次，数据存储一层；AM、MN、NB 每增大一个点距，重复扫描一层，数据分层存储一次，一般扫描深度由浅到深，适合固定断面扫描。温纳装置固定横截面扫描测量已被广泛应用，在测量过程中被分成测量面倒梯形电极阵列（见图1）。

图1 高密度电法温纳装置示意图[10]

斯伦贝谢装置适用扫描测量滚动连续变截面，测量电极M、N 固定，电极A 向左逐点移动，电极B向右逐点移动，进行扫描获取电极MN 中间的地下介质岩性电性信息。电极A、M、N、B 同时逐点向右进行移动，重复上步操作，依次进行，进而获得高密度直流电法矩形截面。本次工作野外观测系统同温纳装置观测系统，仅变换数据采集方式（见图2）。

图2 高密度电法斯伦贝谢装置示意图[10]

1.3 高密度电法探测深度分析

高密度电法探测深度D，与AB、AM、MN、NB电极距呈正相关关系，进一步简化为测深与AB 电极距的问题，AB 电极距越大，其对应的探测深度越大。目前其探测深度与AB 电极距关系为探测深度D约为AB 电极距的1/3～1/10[6]。

2 案例分析

2.1 地质概况

研究区位于豫西某地，附近出露地层主要有三叠系、第四系。

三叠系分为太山庙组、太子山组。太子山组（T3tz）：上部为灰黄色中细粒岩屑石英砂岩；下部灰黄、土黄色中细粒长石岩屑砂岩为主夹少量泥质板岩、泥质硅质岩。厚534.21 m。

第四系主要为坡积砾石及粉质黏土、土黄色粉土、砂、砾石层。厚0～12.49 m。

2.2 地质构造

构造总体走向为北西向，研究区附近断层走向北西290°，断层性质不明。研究区附近岩性产状：倾向北东，倾角14°～33°（见图3）。

图3 区域构造示意图

2.3 水文地质条件

根据研究区地质构造、地貌、含水层组、地下水富存条件和动力特征，考虑水文、气象等因素，区内地下水可划分为两种类型：松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。

（1）松散岩类孔隙水

含水层岩性主要为第四系含钙质结核的黄土状粉土，局部为粉细砂、砂砾石透镜体，含水层厚一般小于1 m，含水率变化不均匀。

地下水补给来源主要为大气降水及侧向径流补给，排泄形式为人工疏干。

（2）基岩裂隙水

含水层主要为三叠系变质石英砂岩（多处含砾）、二云石英片岩、石榴二云石英片岩、白云石英片岩等，薄层不太稳定的绢云石英大理岩，红、灰白色细粒长石石英砂岩、石英粉砂岩、长石石英粉砂岩等。岩石的孔隙度较小，多沿大的构造断裂带分布，水量变化较大，很不稳定，无规律性，常随构造带的规模、所处的位置、所切割的岩性及其含水性和距离地表的深度而决定。

地下水补给来源主要为大气降水、地下水侧向径流补给，排泄形式为侧向径流。

2.4 隧道上方高密度电法测试

高密度电法剖面位于隧道上方，走向南东，方位角约146°。剖面位置地形起伏较大，高程317 ～412 m，温纳装置见图1（反演剖面见图4），斯伦贝谢装置见图2（反演剖面见图5）。本次高密度勘查，受地表不均匀、旁侧干扰、地下游离电等因素影响较小；但是研究区地形坡度较大，测线布设困难。一个排列布置72 道电极，电极距7 m。

图4 高密度电法温纳装置反演剖面图

图5 高密度电法斯伦贝谢反演剖面图

其地表岩性为三叠系中等风化砂岩，剖面部分段有第四系零星碎石土。同时在纵向距离桩号205处有已知钻孔ZK18，孔深60 m，0～2 m 为第四系碎石，2～6 m 为全风化砂岩，6～24 m 为强风化砂岩，24～60 m 为中等风化砂岩；纵向距离桩号256 处有已知钻孔ZK20，孔深30 m，0～1.7 m 为强风化砂岩，1.7～30 m 为中等风化砂岩。从高密度电法剖面图4综合解释图可以看出，剖面浅部主要表现为高、中、低阻特征，为全风化砂岩、强风化砂岩反映；中深部主要表现为高阻特征（电阻率值ρs为250～2100 Ω·m），为中等风化砂岩反映。整体连续性较差，中间偶有较低阻交替出现。依据高密度电法剖面反演等值线断面图，结合已知地质资料，解释推断1 条砂岩强风化面（见图4、图5）。对应电阻率值ρs≤250 Ω·m，厚度0～46 m，与下伏地层电阻率值ρs=250～2100 Ω·m具有明显差异，地质层倾向和测线走向垂直，同时在地形上对应一冲沟，推测与砂岩含水率偏高有关。

对比两个剖面，野外电极观测系统一致，不同采集方法（温纳装置、斯伦贝谢）其探测深度不同，对比图4 与图5，图4 温纳装置探测深度较大，图5 斯伦贝谢装置探测深度相对较浅，深度偏差在1.5%左右；从异常体范围分析，温纳装置横向分辨率较高，高阻异常特征明显；斯伦贝谢装置对低阻异常体较明显，其垂向分辨率较高，视电阻率曲线相对较平滑。

3 讨论

通过在某隧道上方试验测试，对地下地质异常体探测（砂岩强风化面），两种方法适用性均较好。系统分析两种方法略有差异：温纳装置探测深度较大，横向分辨率较高，高阻异常体特征反映较明显；斯伦贝谢装置探测深度相对较浅，其垂向分辨率较高，抗干扰能力强，低阻异常体反映较明显。理论上，斯伦贝谢装置在丘陵山区等坡度较大的地区适用性较好，本次试验研究斯伦贝谢装置采集处理成果可在一定程度上消除异常体特征，减少地质解疑误判。高密度直流电法装置系统较多，在地质勘探过程中，建议结合当地地质情况、地貌条件进行高密度直流电法有效性试验，选择出适合的装置类型，针对复杂地形地质条件，建议优选2 种以上的探测装置类型开展工作。

本文综合利用以往地质资料，采用不同装置高密度电法工作，分析其不同装置高密度电法工作原理及应用效果，圈定隧洞上方的低阻地质异常体，取得良好效果。在一定坡度的地形条件下（非水平介质理想模型），建议进一步对斯伦贝谢装置开展应用研究。

4 结论

（1）在丘陵山区浅层勘探，高密度电法具有很强适用性、经济性、便捷性。

（2）在相同的地质条件确保探测深度，选择不同采集装置，便于多种方法相互验证及分析对比。

（3）对比温纳装置与斯伦贝谢装置，温纳装置探测深度较大，斯伦贝谢装置探测深度相对较浅，深度偏差在1.5%左右；从异常体范围分析，温纳装置横向分辨率较高，高阻异常特征明显；斯伦贝谢装置对低阻异常体较明显，其垂向分辨率较高，视电阻率曲线相对较平滑。