电阻率成像法在地铁隧道勘察中的应用

王小明

（苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京 211112）

0 引言

如今，我国经济繁荣，生产力水平飞速提升，人民对于生活的要求也随之提升，城市各方面的基础建设成为涉及民生的重大问题。 我国人民对于出行方式的要求也与日俱增，地铁作为一种新兴的、便捷的、环保的出行交通工具，受到了大家的广泛关注，大多数城市都在大力修建地铁。 在所有的工程中，都不能盲目的开始施工，否则会埋下巨大的安全隐患，需要在对工区地质背景以及潜藏的地质灾害有充分了解的基础之上才可以科学的施工，避开安全隐患，而物探手段就是最重要的超前探测方法，所以，工程未动，物探先行。 在地铁隧道的开挖过程中，如果不进行地质异常预报，通常会遇到岩溶、突水、交通沉降等问题，所以需要通过超前探避免灾害的发生。

矿山法， 因模仿矿山中巷道的开挖方法而得名。在施工过程中，通常需要分部开挖，目的在于减少对围岩的扰动，提高安全系数，同时根据现场地质情况以及安全需要修建衬砌。 如果地层比较松软，一般会直接采用挖掘机进行，同时设置支护，最先开挖导坑，再继续扩大。 相反，在坚硬的岩层中，可以将整个断面同时开挖。

电阻率成像法（ERT）通过供电电极向地下供电，接收电极测量电位差信息，基于地下不同介质的电阻率差异来获得地电场的分布，并且通过反演获取地下的电阻率分布情况，有效的圈定异常体所在的位置以及异常体的产状、规模等，是一种无损的物探方法，具有其他常规电法不可比拟的优点。 电阻率成像法起源于1980 年，随后，其被广泛应用于各个领域，在找矿和地质灾害检测中发挥了巨大的作用。 但传统电法相对来说布极较为复杂，跑极较为缓慢，数据采集较为模糊。 而ERT 实现了电极的一次布设，能够有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，高效海量数据采集，数据采集方式进行了简化，一次布设电极便可以多次测量，对地质异常体的解释更加准确。 它实将电测深法和电剖面法相结合， 可以进行多装置、多极距的测量。 此外，测量还可以进行多次叠加，提高测量精度，也有探测测线外围一定范围的能力，探测深度较为可观。 使得电阻率剖面图更加接近实际情况，大大提高了视电阻率的时间和空间分辨率。

在本文中， 笔者利用了电阻率层析成像技术，观察了某隧道开挖过程中地下溶洞的响应特征，根据得出的结果，认为电阻率层析成像技术是一种较为可靠与合理的探测地下岩溶的地球物理勘探技术。

原理：

电阻率成像法是直流电法的一种。 在均匀的各向同性介质中，供电电极和接收电极位于地表时，固定电流强度为I， 距离电源为R 的A 处的电势为U，视电阻率ρ为：

式中，K 为装置系数。K 值越小，对观测越有利，因为相同的电源电流可以产生较大的电位差△U。 在非均匀介质中，电位U由泊松积分给出：

式中，J 为电流密度；ρ 是介质的真实电阻率；等式右边的二项式分别对应于一次场和二次场。 这个问题归结为如何反演方程（2），也就是从U求ρ。

1 工程案例

1.1 工程概况与地质条件

矿山法隧道位于常府山，为连接明挖段（一）、明挖段（二）的暗挖隧道，里程为左CRDK-0+861.337~左CRDK-1+182.099 （左线指出场线）、 右CRDK-0+889.500~右CRDK-1+206.860（右线指入场线），长度为320m， 采用台阶法施工。 区间隧道净距约1.7～9.2m。 线路纵断面为单面坡，线路纵坡35%，隧道埋深为4.5~28m，隧道为马蹄形结构，净空尺寸为5.28m×4.6m，区间两侧设置停车线，其中牵1 线长134.931m，牵2 线长100.185m， 断面形式及工法同出入场线，与出入场线净距约1.7~11.8m， 于牵出线端部设置与出入场线的通风道。

矿山法隧道自上至下主要地层为杂填土、粉质黏土、混卵砾石、砂岩等。 隧道穿越地层主要为砂岩，洞顶1 倍洞径范围内地层主要为④-5e1 卵石混圆砾、K2p-2c 强风化泥质砂岩，局部为K2p-3c 中等风化泥质砂岩。 穿越地层围岩较软，稳定性差，隧道在开挖过程中，如对围岩处理不当，围岩极易变形，发生坍塌事故。 该区间顶板岩层厚度较薄且风化程度较高，易出现冒顶事故。

1.2 探测任务

在地铁等勘察设计阶段，隧道勘察是重点，物探作为一种经济快速的手段在隧道的勘察中具有重要作用。 隧道勘察利用物探方法可以查明第四系覆盖层厚度、下伏基岩面埋深及起伏形态、构造破碎带或岩溶发育带等不良地质体的规模位置等，为隧道的合理安全设计提供必要的依据。

基于此，本项目针对西善桥矿山法隧道开展了高密度电法探测，拟通过隧道轴线下方岩体电阻率的分布特征，分析判定该隧道围岩的相关地质条件。

1.3 测线布置

现场布置电法测线两条， 单条测线内电极间距5m，其中测线1（左线，即出场线）长度150m（控制里程段为左CRDK-1+045~左CRDK-1+176m）， 测线2（右线，即入场线）长度250m（控制里程段为右CRDK-1+015~右CRDK-1+200m），共完成测线长度400m。测量采用对称四级装置。

图1 电阻率成像法结构装置图

图2 AB 供电时电流场分布

图3 现场测线布置图

1.4 结果分析

根据已有的背景资料，联合探测区域内已有的钻孔地质信息，可以与电阻率成像法的探测结果进行对比分析解释，确定探测区域内的层位信息。 若存在横向的低阻差异，则很有可能该区域存在岩溶或为含水性较高。 浅部孤立的高阻异常通常为高阻孤立岩体影响所致， 低阻为浅部黏土层及探测前期降雨影响所致。 由图4 和图5 所示，探测区内岩体的电阻率值总体上小于100， 表层大部分的杂填土和素填土受降雨影响，电阻率值较低，只有局部为高阻；下部岩层电阻率普遍高于20，表明下部岩层的裂隙比较发育，含水性较高。 依据以上电阻率分布特征，并结合钻孔地质剖面，从图6 和图7 可以获得：

图4 矿山法隧道左线【控制里程段为左CRDK-1+045（即x=145）~左CRDK-1+176m（即x=0）】电阻率分布图

图5 矿山法隧道右线【控制里程段为右CRDK-1+015（即x=245）~右CRDK-1+200m（即x=0）】电阻率分布图

图6 矿山法隧道左线【控制里程段为左CRDK-1+045（即x=145）~左CRDK-1+176m（即x=0）】电法探测成果解释

图7 矿山法隧道右线【控制里程段为右CRDK-1+015（即x=245）~右CRDK-1+200m（即x=0）】电法探测成果解释

（1）结合测区钻孔地质剖面，依据电阻率分布特征，给出了左线（测线1）和右线（测线2）下伏砂岩地层的分界线。

（2）左线：左CRDK-1+096（即x=95）~左CRDK-1+176m（即x=0）里程段岩体电阻率值较低，反映砂岩裂隙发育，风化程度高；其中左CRDK-1+135（即x=45）~左CRDK-1+161m（即x=15）里程段岩层可能有一定的含水性，围岩稳定性差；

（3）右线：右CRDK-1+048（即x=200）~右CRDK-1+67m （即x=175）、 右CRDK-1+084 （即x=155）~右CRDK-1+135m（即x=85）和右CRDK-1+160（即x=55）~右CRDK-1+173m（即x=35）里程段岩体电阻率值较低，反映砂岩裂隙发育，风化程度高；其中右CRDK-1+084（即x=155）~右CRDK-1+135m（即x=85）里程段可能有一定的含水性，岩层稳定性较差。

2 结语

（1）结合钻孔地质剖面，依据电阻率的分布特征，判定了矿山法隧道物探探测里程段内砂岩层位的分界线。

（2）据电阻率分布特征，判定左CRDK-1+096~左CRDK-1+176m 里程段砂岩层位裂隙发育， 风化程度高， 围岩稳定性较差； 其中左CRDK-1+135~左CRDK-1+161m 里程段岩层可能有一定的含水性。

（3）据电阻率分布特征，右CRDK-1+048~右CRDK-1+67m、 右CRDK-1+084~右CRDK-1+135m 和右CRDK-1+160~右CRDK-1+173m 里程段砂岩层位裂隙发育， 风化程度较高， 岩层稳定性差； 其中右CRDK-1+084~右CRDK-1+135m 里程段可能有一定的含水性。

（4）电阻率成像法在隧道超前探中应用良好，对于低阻体和含水体反应较为灵敏。