高密度电法在城市隧道勘察中的应用

高密度直流电法在岩溶隧道中的应用

摘要:以广乐高速公路长基岭隧道为例,应用高密度直流电法,对掌子面前方40m内围岩的软硬及破碎程度进行了超前预报,并探明了该部位地下水的发育情况。结果发现,ZK90+990～ZK90+993,ZK91+005～010段内的视电阻率相关比值普遍比ZK90+975～ZK91+015段内的要小,这两个预测段的均为低电阻异常区(蓝色),推测平均视电阻率相关比值较低的预测段ZK90+975～ZK91+015内的低电阻异常区可能为地下水发育。最后经开挖比较,证实了这一结果。

关键词:超前地质预报 高密度直流电法 视电阻率 长基岭隧道

20世纪80年代后期,我国原地质矿产部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究,从理论与实际结合的角度,进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题。近30年来,该方法先后在重大场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测以及煤矿及隧道掘进面前方含水构造的预报等众多工程勘察领域应用,取得了明显的地质效果和社会经济效益。尤其在当前时代,随着我国隧道建设的大力发展,各类的地质灾害在施工中造成的安全事故等困难也摆在我们面前。若能对隧道掌子面前方的地质条件及水文地质条件,如掘进前方是否有岩溶,断层破碎带,富水区域等不良构造进行预测,且根据预测结果合理地安排掘进进度和修正施工方案,采取必要的防范措施,则可避免险情发生。目前,关于高密度直流电法超前地质预报在隧道建设中的应用已有相应的研究[1～4]。本文将以广乐高速公路长基岭隧道为工程实例,应用高密度直流电法,对掌子面前方一定范围内进行超前预报,其预测结果和真实水文地质条件基本一致,且更适用于对含水构造的超前预报。

1 高密度直流电法的原理及测线布置

1.1 高密度电法的原理

高密度电阻率法是以地下介质导电性差异为基础,通过观测和研究与这些差异有关人工电场的分布规律,可达到查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体(岩溶、风化层、滑坡体等)的一种地球物理勘探方法。高密度电法的勘探原理,与一般电法勘探原理相同。设地表水平,地下充满均匀各向同性半无限介质,在地面上任意两点用供电电极A,B供电,另外两点用测量电M,N测量电位差。A,B电极在M点产生的电位为

第３７卷第７期　２　０　１　１年３月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０ｌ＇３７　Ｎｏ．７　Ｍａｒ．　２０１１　・１５３．　

文章编号：１００９—６８２５（２０１　１）０７・０１５３—０２　

高密度电法在隧道地质灾害超前预报中的应用　

李洪嘉　

摘要：通过介绍高密度电法的原理，结合具体工程实例，就高密度电法在隧道超前地质预报中应用的基本思路及勘察　

成果作了探析，总结得出高密度电法具有方法简单、易行，准确率高，其结果与开挖后揭露的地质情况吻合较好。　关键词：高密度电法，隧道，地质预报　

中图分类号：Ｕ４５６．３３　文献标识码：Ａ　

高密度电法是一种阵列勘探方法。它是通过不同的电极装　

置，研究水平及垂直方向地质体的电性差异，解决不同的地质问　题。该方法具有效率高、探测深度大、电剖面成像精确等特点，是　

水、工、环地质勘察中最有效的方法之一，也广泛应用于地质灾害　调查，如探测溶洞或地下采空区等工程。辽宁省本辽辽高速公路　

本溪段某隧道位于典型的石灰岩地区。隧道区段岩石节理裂隙　较发育，含水性差，透水性好，易被溶蚀，形成溶洞。２０１０年夏季，　

该隧道左线上方出现塌陷坑２处，最大坑有３　ｍ见方，近３　ｍ深。　为了查明溶洞的具体位置，防止、预防或减轻溶洞危害，为隧道施　

工提供科学依据，我们采用高密度电法对该隧道进行了探测。　

１　高密度电法设备及地质解释　

本次勘探使用了目前国内最先进的高密度电法勘探仪分布　

式ＷＧＭＤ一９型超级高密度电法系统。该系统以ＷＤＡ一１超级数字　

直流电法仪为测控主机，选配分布式高密度电阻率电缆、电极，实　

现分布式二维高密度电阻率测量。其工作流程图见图１。　

｛已＾ｋ　厂——一数据采集部分—～———］厂一美蒜　—］　

图１高密度电法工作框图　通过对矿区内矿石标本和岩石标本的物性测定，结合以往的　

地球物理电性参数，得出各种岩性的电阻率参数，见表１。　表１　工区主要岩石电阻率　

Ｉ　岩石石称　ｌ　亚粘土　ｌ　石灰岩　ｌ　页岩　ｌ　ｌ　电阻率／ｎ－ｍ　ｌ　ｎ×１０ｏ～ｎ　ｘ１０１　ｌ　ｎ×１０２～ｎ×１ｏ　ｌ　ｎ×１０２～ｎ　ｘ１０３　Ｉ　

高密度电法在工程勘察中的应用

摘要：随着社会的不断发展，城市规模的不断扩大，工程建设类别的增多向工程地质的勘察工作提出了更高的要求，传统单一的地质钻探技术已经不能满足当前满足工程的需要。这就要求岩土工程人员跟进时代的发展，不断加强对新技术的研究，在对地下地质条件进行测定时采用多种勘测手法综合勘测，以便能够为设计方提供高质量的勘察资料。基于此，文中笔者就高密度电法的工作原理及岩溶地质进行了简要的阐述，并根据工程实例说出了高密度电法在工程勘察中的应用。

关键词：高密度电法、工程勘察、电阻率

一、前言

随着我国各大城市规模的不断增大，工程建设作为关系民生的重要项目受到社会各界的密切关注。岩溶是工程建设中最严重的地质现象，但是由于在指定的比较小的范围内，岩溶发育的不稳定性、随机性及隐藏的特点，给区内岩溶的分布及其发育情况的详查带来很大的难题，而仅依靠钻探办法难以达到人们预期的结果。在我国的矿产勘察与项目建设中大部分都采用高密度电法，高密度电法利用岩溶与围岩在电性上普遍存在的差别，能很快的探测出岩溶的各方向生长状况，进而运用合适的办法来防止灾害的产生。笔者通过列举下面的几个运用，证明高密度电法在工程岩溶勘察的桥基和隧道中适用性及准确性。

二、工作原理

高密度电法是根据水文、工程及环境地质调查的实际需要而研制的一种电阻率法，在岩石的电阻率差异，矿石为基础，通过对电场分布的特点和变化的空间差异的观察和研究，查明地下地质构造和寻找地下非均匀电体的地球物理勘探方法的一类。两种方法在数据采集过程中结合电阻率曲线和电阻率测深观测系统，高密度电阻率的方法，因此，大量的数据收集，对观测数据的准确性，在电异质体的检测取得了良好的地质效果。如图1所示，当地面A2，B2电源的输入电流强度，形成地下稳态电场E，以A2、B2的中点为Ｏ为中心，1／3A2B2长的范围内电场为均匀场，在此范围内安置测量电极M、Ｎ得到电位差ΔＵ，其中ｋ为装置系数，不同的测量装置的装置系数不同，由此可得视电阻率计算公式：

科技信息　工程技术　

高密度电法在隧遥溶　虫涌水调查【ｌ】硇应用　

贵州省交通科学研究院　梁’栋　贵州省煤田地质局地质勘察研究院　黄鑫　［摘　要］隧道涌水是隧道施工中常见而又危害甚广的事故之一，特别对于碳酸岩地区，地下水的赋存、运移形式尤为复杂，容易出现　突发性涌水事故。本文介绍了高密度电阻率法的基本原理、勘察方式，并将其运用于隧道岩溶涌水调查实例中，探测效果良好。　【关键词】溶蚀涌水　地表陷落　高密度电阻率法　１．高密度电阻率法的工作原理　高密度电法是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为　基础，人工建立地下稳定直流电场，依据预先布置的若干道电极采用预　定装置排列形式进行扫描观测地下电场的分布特点和变化规律，从而　查明地下地质构造、寻找有用矿产和解决相关地质问题的一种直流电　法勘探方法。　高密度电法实际上是一种阵列勘探方法，它在二维空间内研究地　下稳定电流场的分布，野外测量时，将数十个电极一次性布设完毕，每　个电极既是供电电极又是测量电极　。通过程控式多路电极转换器选　择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，用供电电极（Ａ、Ｂ）向地下　供直流（或超低频流）电流，同时在测量电极（Ｍ、Ｎ）间观测电势差　（ＡＵｍｎ），并计算出视电阻率（ｐｓ），各电极同时或不同时沿选定的测线　按规定的电距间隔移动，其主要组成及测量流程如图１所示。　

图ｉ高密度电法工作系统　１．１常见装置介绍及选择　高密度电法最初研究的排列方式主要有３种：　、Ｂ和＾ｙ，现在排列　方式已发展到十几种。根据Ｄｒ－Ｍ＿Ｈ＿Ｌ０ｃｋ［３～，ｏｔ装置对于电性的垂向变化　十分敏感，此外该装置还能在测量中最大程度地压制干扰，增强有效信　号，而且受地形变化影响小，电测剖面形态比较利于解释。因此，在地形　相对较开阔，亦或是地形起伏较大以及对垂向探测精度要求较高的一　般选用　装置，其排列方式及断面扫描方式如图２所示，即保持电极距　不变，逐渐增大间隔系数，从左至右，从上至下扫描纪录数据。　Ａ　Ｍ　Ｎ　Ｂ　●—◆●—．．●—　●—　●—　●—　●—　●—　●—　●—　●　●◆●◆◆◆●　●◆●－．－－￣￣－－－＇ｌｔ＂●　●◆●◆●叫－．●　●　●　●　图２高密度电法温纳装置排列及断面扫描示意图　１．２应用领域及特点介绍　高密度电法原理成熟，在矿产资源勘探、地质构造、水文地质、工程　灾害地质、考古、岩溶洞穴探测等各领域得到了广泛应用，解决了大量　实际问题，创造了较好的社会效益及经济效益。与常规直流电法相比，　高密度电法具有成本低、效率高、信息丰富等优点，可探测岩溶、洞穴、　断层、破碎带、路基状态、道碴陷槽、采空区、翻浆冒泥和地质界线的产　状等，用途广泛　。所有电法的专业处理、反演解释软件均可安装在通　用计算机上来完成，电法主机可以通过ＲＳ一２３２端口，结合配套数据接　收软件与通用计算机进行数据通讯，将所测电法数据传到计算机中进　行更高级的处理和解释。　２．探测实例　本次探测为对隧道涌水段地表进行了物探勘察，旨在查明隧道涌　水原因以及涌水段隧道地质状况，以保证隧道施工安全，为设计变更提　供依据，探测目标最大埋深约３Ｏ米。探测中使用ＷＤＪＤ一３型高密度电　法仪及一台多路电极转换器，采用电池箱供电，共使用６Ｏ根电极，电极　间距３．５米，则ＡＢ／２为１０３．２５米，排列总长度２０６．５，根据经验公式，探　－－－——３２２．－－——　测深度在２９．５～３４．５米之间（即１／６～Ｉ／７最大排列之间）。测线布置尽量　垂直于地层走向，测线间距８米，供电时间５ｓ，温纳装置，然后检测各电　极接地电阻，以查明是否存在某些电极接地不紧密或漏接，若测试通过　则选择进入采集状态。采集过程中仪器通过多路电极转换器每次自动　接人４根电极进行测试，保持ＡＭ＝ＭＮ＝ＮＢ不断增加隔离系数完成剖面　扫描，总共采集５５２个数据，该过程历时约３Ｏ分钟。　２．１探测区域地质概况　本次探测区域为一溶蚀槽谷，槽谷底部分布了较厚的覆盖层（主要　为耕种土，农作物以小麦、油菜为主），地表目前有３处陷落洞，深浅不　一，本区地势较为平坦；探测范围左侧为一小山丘，基岩出露，以灰岩为　主；探测范围右侧为农田，紧邻乡村公路。本段下伏围岩主要为三叠系　下统永宁镇组第四段（Ｔｌｙｎ４）中厚层状白云岩、泥质白云岩与永宁镇组　第三段（Ｔｌｙｎ３）灰岩、白云岩岩组。　２．２数据处理流程　数据处理是高密度电法的室内工作部分，将数据导入计算机，经预　处理，地形校正，参数设置，正反演，成图几个步骤后输出最终结果，并　对之做地质解释。其中数据预处理是用于剔除电阻率明显异常点（通常　指因接地电阻过大、电极与大缆接触不良等造成的坏点）；调整反演参　数，如阻尼系数，改变层厚度，模型细化等，可根据实测数据情况进行调　整；地形改正，当数据中存在地形数据时，在反演过程中会自动消除地　形起伏带来的影响；最后进行数据的正反演，根据原始数据建立模型进　行正演，再对比正反演结果，若在误差允许范围内，则输出反演结果。　２＿３成果解释　选用其中两条测线数据结果如图３所示，各测线探测深度约为　３Ｏ米，反演求得待测区域视电阻率值介于３０～１５００欧・米之间，图中　黑色曲线上方地质体导电性能良好，视电阻率值一般在２００欧・米以　下，结合测试现场地表特征，推测对应地质体为地表潮湿耕种土，厚度　在２～１４米之间，因地表作物差异，雨水下渗不均匀，导致地表局部有　小的团状低阻异常；此外，图中团状高阻异常较发育，视电阻率在　１２００欧・米以上，推测为局部塌陷区，土层松动，导致局部视电阻率值陡　增；三条测线中部（约８０ｍ～１３０ｍ之间），围岩视电阻率值均相对两侧　较低，覆盖层厚度较厚，推测其地下水含量较为丰富，围岩受溶蚀作用　较强，层间泥质较为发育，因隧道开挖破坏了隔水通道，地下水外涌带　走大量层间泥质引起地表局部塌陷。