直流電測(cè)深法在張呼客運(yùn)專線變質(zhì)巖隧道勘測(cè)中的應(yīng)用

曾祥福 張 強(qiáng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055)

直流電測(cè)深法在張呼客運(yùn)專線變質(zhì)巖隧道勘測(cè)中的應(yīng)用

曾祥福 張 強(qiáng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055)

張家口至呼和浩特客運(yùn)專線主要以6個(gè)短隧道群穿越張家口市與興和縣交界處的低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育太古界變質(zhì)巖麻粒巖。受多期構(gòu)造影響，地質(zhì)條件較復(fù)雜，為全線控制性工程，部分段落地形條件惡劣，鉆探受到限制。為查清隧道工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，隧道勘測(cè)中采用了直流電測(cè)深法，探測(cè)了地下巖體的風(fēng)化界線埋深、巖體完整性和地下水發(fā)育情況，并對(duì)個(gè)別物探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證。

客運(yùn)專線 直流電測(cè)深 隧道勘測(cè) 變質(zhì)巖 麻粒巖

我國(guó)中西部客運(yùn)專線大部分需橫穿較大山脈，往往以隧道形式通過(guò)，隧址區(qū)地形條件一般較為復(fù)雜。隧道工程地質(zhì)勘測(cè)過(guò)程中，由于地形起伏大、搬運(yùn)鉆機(jī)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、鉆機(jī)成孔周期長(zhǎng)，以及勘探工作量大、工期緊等條件限制，單一采用鉆探往往難以滿足任務(wù)要求[1]。如果隧道深埋，就需要布置深孔鉆探，使得隧道勘測(cè)遠(yuǎn)滯后于整個(gè)地質(zhì)勘察[2]。因此，迫切需要簡(jiǎn)單的物探方法獲取下伏地層情況。電測(cè)深法是物探的一種， 可用于測(cè)定基巖埋深，劃分松散沉積層和基巖風(fēng)化帶，測(cè)定潛水面深度和含水層分布，探測(cè)隱伏斷層、破碎帶、地下洞穴、地下或水下隱埋物體[3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)電測(cè)深研究頗多，如阮百堯等[4]通過(guò)公式推導(dǎo)出最佳供電極距為AB/8；而鐘世航[5]研究了電測(cè)深應(yīng)用于淺層(<10 m)地質(zhì)勘查，得出電測(cè)深劃分地層時(shí)深度誤差在一般在5%內(nèi)(個(gè)別達(dá)到10%)的結(jié)論；王巍等[6]則應(yīng)用電測(cè)深在花崗巖中找水，并通過(guò)鉆探對(duì)比分析得出地下水位埋深反映為曲線平直段的尾部位置；趙文星[7]、劉劍飛[8]均將電測(cè)深方法應(yīng)用于普速鐵路隧道勘測(cè)；劉金濤等[9]則應(yīng)用電測(cè)深法找黃鐵礦。由于電測(cè)深物探方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，筆者在張呼客運(yùn)專線變質(zhì)巖隧道勘測(cè)中采用直流電測(cè)深法探測(cè)隧道圍巖情況，應(yīng)用效果良好，可為附近類似工程提供有益參考。

1 直流電測(cè)深法基本原理

直流電測(cè)深法是以地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ)，人工建立地下穩(wěn)定直流電場(chǎng)，通過(guò)逐次加大供電(或發(fā)送)與測(cè)量(或接收)電極極距，觀測(cè)與研究同一測(cè)點(diǎn)下垂直方向不同深度范圍地層電阻率的變化規(guī)律，以查明與深度有關(guān)的各類地質(zhì)問(wèn)題的一組直流電法勘查方法[10]。根據(jù)電極的布置方式分為對(duì)稱四極電測(cè)深、三極電測(cè)深、偶極電測(cè)深、環(huán)形電測(cè)深。本文采用對(duì)稱四極電測(cè)深。

對(duì)稱四極電測(cè)深法基本原理是對(duì)稱布置于測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)量電極固定不動(dòng)，逐次增大供電電極距，獲得測(cè)點(diǎn)處垂直方向由淺至深的視電阻率變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)電測(cè)深ρs曲線以及相應(yīng)鉆探對(duì)比分析，推測(cè)相似地層的覆蓋層厚度、巖體風(fēng)化厚度、巖體破碎情況以及地下水發(fā)育情況等。

如圖1，A、B為供電電極，M、N為測(cè)量電極，四個(gè)電極對(duì)稱布置在測(cè)點(diǎn)O兩側(cè)。測(cè)量時(shí)，M、N兩電極固定不動(dòng)，電極A、B的距離逐漸對(duì)稱增大，每改變一次電極距AB，相應(yīng)記錄一次ΔUMN和IAB。數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)多次極距增大記錄數(shù)據(jù)，按照式(1)和式(2)計(jì)算視電阻率ρs值，繪制出ρs曲線。ρs曲線坐標(biāo)原點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，橫坐標(biāo)為AB/2，縱坐標(biāo)為視電阻率ρs值，由于橫、縱變量非線性關(guān)系，一般采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，電測(cè)深ρs曲線如圖2所示。

(1)

(2)

式中 ΔUMN——MN間的電位差；

IAB——AB間的電流強(qiáng)度。

圖1 對(duì)稱四極電測(cè)深裝置示意

圖2 電測(cè)深ρs曲線

2 工程概況

2.1 地形地貌

張呼客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速250 km， 線路經(jīng)過(guò)張家口市與興和縣交界處的大尖山，以近NW35°方向斜穿山體，主要以6個(gè)短隧道群通過(guò)，隧道總長(zhǎng)8.7 km。隧道洞身大部分埋深小于100 m，最大埋深為109 m。地貌單元為低山丘陵區(qū)，沖溝發(fā)育，地形起伏較大，自然坡度一般為10°～50°，山脊及所夾溝谷近似呈南北走向，山脊線傾角較緩。隧道區(qū)植被一般，多為灌木、雜草。

2.2 地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育太古界變質(zhì)巖麻粒巖，礦物成分中淺色礦物主要為斜長(zhǎng)石、長(zhǎng)石和石英等，暗色礦物為紫蘇輝石、透輝石、石榴子石、角閃石、黑云母等。該地區(qū)麻粒巖含有少量磁鐵礦，其中全風(fēng)化麻粒巖風(fēng)化劇烈呈砂土狀，強(qiáng)風(fēng)化麻粒巖呈碎塊狀，弱風(fēng)化麻粒巖主要發(fā)育3組節(jié)理。節(jié)理較發(fā)育，宏觀上表現(xiàn)為較完整-較破碎，局部存在差異風(fēng)化帶和節(jié)理發(fā)育密集帶，巖體破碎。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以正斷層為主，產(chǎn)狀30°～152°∠60°～85°，與線路的夾角為37°～76°，斷層帶及其影響帶寬度73～92 m。

3 野外工作

野外采用了WDJD-3電法儀對(duì)變質(zhì)巖隧道進(jìn)行直流電測(cè)深，目的是探測(cè)測(cè)點(diǎn)處變質(zhì)巖麻粒巖風(fēng)化層厚度、巖體完整性及構(gòu)造(斷層、破碎帶)埋深和地下水發(fā)育情況等。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，AB/2小于100 m時(shí)，每隔3～5個(gè)電極距進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)；AB/2大于100 m時(shí)，每個(gè)電極距都進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)；曲線出現(xiàn)畸變時(shí)，對(duì)畸變點(diǎn)和前后的電極距重復(fù)觀測(cè)或在畸變點(diǎn)前后增加測(cè)點(diǎn)。

本次勘測(cè)歷時(shí)約25天，完成DC1～DC6共6個(gè)測(cè)點(diǎn)野外直流電測(cè)深數(shù)據(jù)采集工作，并對(duì)其中具備鉆探條件的DC6測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證。

4 物探成果分析

直流電測(cè)深測(cè)點(diǎn)DC1～DC6均布置在麻粒巖中，電測(cè)深曲線匯總?cè)鐖D3，物探成果解譯如表1。

圖3 DC1～DC6測(cè)點(diǎn)ρs曲線

5 鉆探驗(yàn)證

由于地形條件限制，具備鉆探驗(yàn)證條件的只有DC6測(cè)點(diǎn)。根據(jù)鉆探揭露，0～30 m為強(qiáng)風(fēng)化麻粒巖，其中0～5 m為灰黃色，5～30 m為灰色，巖芯破碎呈碎石類土狀；30 m以下則為弱風(fēng)化麻粒巖，灰色，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，巖體較完整。鉆探完成后孔內(nèi)提水試驗(yàn)顯示該孔地下水不發(fā)育，水位埋深21 m，物探解譯成果解譯為19.7 m，相對(duì)誤差6.2%。鉆探揭露的強(qiáng)風(fēng)化界線埋深為30 m，與物探成果推測(cè)的28 m相差2 m，相對(duì)誤差6.6%，與學(xué)者鐘世航[5]研究成果基本一致?？梢娢锾匠晒庾g的麻粒巖強(qiáng)風(fēng)化界線埋深、巖體完整性及地下水發(fā)育情況與鉆探揭露基本相符，且對(duì)于埋深大于10 m的地質(zhì)體，電測(cè)深法探測(cè)的結(jié)果，深度相對(duì)誤差仍然小于10%。值得注意的是物探成果解譯中0～3 m判定為覆蓋層，對(duì)比鉆探，物探顯然產(chǎn)生了誤判。分析原因認(rèn)為0～3 m的麻粒巖強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化劇烈，部分巖石已風(fēng)化成砂土狀填充在強(qiáng)風(fēng)化碎塊中，其視電阻率表現(xiàn)為第四系碎石類土的特性，所以產(chǎn)生誤判。

表1 物探成果解譯

6 結(jié)論

(1)表層麻粒巖強(qiáng)風(fēng)化巖體大部分已風(fēng)化呈砂土狀，由于差異風(fēng)化，還存在強(qiáng)風(fēng)化碎塊填充其中，其視電阻率表現(xiàn)為第四系碎石土特性，電測(cè)深解譯時(shí)容易誤判為碎石類土。直流電測(cè)深物探方法在隧道勘測(cè)時(shí)，需有鉆探驗(yàn)證對(duì)比分析修正物探解譯成果，盡量避免產(chǎn)生誤判。

(2)直流電測(cè)深法在張呼客專變質(zhì)巖區(qū)隧道勘測(cè)中較準(zhǔn)確判定了巖體強(qiáng)風(fēng)化界線埋深、巖體完整性、地下水埋深及地下水發(fā)育情況。

(3)對(duì)于鐵路、公路等線狀工程而言，特別是變質(zhì)巖隧道初測(cè)方案比選階段，可使用該方法快速獲得地層風(fēng)化界線、巖體完整性和地下水發(fā)育情況，提高勘測(cè)效率。

(4)由于地形條件限制，只有DC6測(cè)點(diǎn)具備鉆探驗(yàn)證條件，隧道施工開挖時(shí)還需進(jìn)一步驗(yàn)證物探解譯成果，從而為附近類似工程積累更多經(jīng)驗(yàn)。

[1] 雷旭友，李勇，李正文.綜合物探在鐵路復(fù)雜地質(zhì)選線中的應(yīng)用[M]∥中國(guó)地球物理學(xué)會(huì).中國(guó)地球物理.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001

[2] 許廣春.大地電磁測(cè)深進(jìn)行隧道圍巖分級(jí)的可行性研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(8)：85-86

[3] 石明生，張永雨.電測(cè)深法和鉆探相結(jié)合在山區(qū)地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探，2005，41(5)：92-95

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[6] 王巍，劉立劍，陳劍杰，等.電測(cè)深法在花崗巖區(qū)地下水探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011(19)：459-464

[7] 趙文星.綜合勘探在隧道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2007(3)：92-94

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[11] TB10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

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The Application of Electric Detecting Method to Metamorphic Tunnel Survey in Zhangjiakou-Huhehaote Passenger Dedicated Line

ZENG Xiangfu ZHANG Qiang

2013-12-06

曾祥福(1981—)，男，2008年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，E-mail:94257212@qq.com。

1672-7479(2014)01-0044-03

P631.3+22

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