地鐵勘察中電阻率的測試方法

孔憲和

摘要：電阻率原位測試通常有二種方法，一是在地面進(jìn)行，采用對稱四極法，另一種在工勘鉆孔中進(jìn)行，即電阻率測井。本文論述了各自的準(zhǔn)確性和適宜性。

關(guān)鍵詞：地鐵;電阻率;對稱四極電測深;測井

一、概述

大地電阻率是地鐵工程接地計(jì)算中的必要參數(shù)，直接影響接地裝置接地電阻的大小、地面電位分布和跨步電壓，為了合理設(shè)計(jì)接地裝置，必須對大地進(jìn)行電阻率測試。

電阻率測試通常有二種方法，一是在地面進(jìn)行，采用對稱四極法，另一種在工勘鉆孔中進(jìn)行，即電阻率測井。前者地面測試需要較長的地面電性均勻的場地，而地鐵勘察通常在城市建筑物密集區(qū)域，難以滿足測試要求，影響測試精度;后者在施工后的鉆孔中進(jìn)行，鉆孔較淺，測試精度受低阻鉆井液的影響較大。本人通過在南京、蘇州等地鐵勘察電阻率測試中對地面和鉆孔電阻率測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分別確定了地面和鉆孔電阻率測試數(shù)據(jù)各自的準(zhǔn)確性和適宜性。

二、測試方法的選擇及數(shù)據(jù)解釋

1、地面測試

在地面場地條件允許的條件下，結(jié)合工勘鉆孔資料地層電性層簡單，選擇地面對稱四極電測深法方便易行，施工不必等候鉆孔，一天可測試多個(gè)場地，一般地鐵開挖深度在30米左右，電測深最大AB/2為勘察深度的2倍，電極距見下表。

電測深電極距表

AB/2（米）

3

5

7

10

15

22

34

50

70

MN/2（米）

0.5

0.5

0.5

0.5

3

0.5

3

3

3

3

3

測量結(jié)果繪制成雙對數(shù)電測深曲線，結(jié)合工勘鉆孔劃分的電性層進(jìn)行解釋，電性層簡單可以可以通過量板定量解釋，稍復(fù)雜可以通過電腦軟件正、反演定量解釋，均可獲得目的地層較精確的電阻率值。

2、鉆孔測試

如地面場地條件不理想，則易在工勘鉆孔中進(jìn)行。在鉆孔測試電阻率要受到井眼、圍巖、層厚、泥漿（沖洗帶、侵入帶）及測井儀器本身等多因素的影響。

⑴電阻率測井探測深度

電阻率測井探測深度是指探測器的橫向探測深度，對于普通電阻率測井來說，以供電電極為中心，以某一深度為半徑的球面內(nèi)包含的介質(zhì)對測量結(jié)果貢獻(xiàn)為50%時(shí)，此半徑為探測深度。

梯度電極系：探測半徑為1.4。如：M2.25A0.5B表示雙極供電正裝梯度電極系，其中L=2.5m，探測深度3.5m;

電位電極系：探測半徑為2。如：A0.5M2.25N表示單極供電正裝電位電極系，其中L=0.5m，探測深度1.0m。

⑵電阻率測試的影響因素

①電極系的影響

不同的電極系測得的視電阻率曲線不同，即使對相同電極系來說，盡管地層模型相同，測量條件相同，如果電極距不同，得到的曲線也會(huì)有較大差別。

根據(jù)普通電阻率測井的探測深度定義可知，電極距不同也就是說它的探測深度不同，受到井眼和圍巖的影響也就不同。探測深度小，受井眼影響較大，受圍巖的影響較小，測得的視電阻率曲線幅度較低（對高阻層來說）;探測深度大，井眼的影響相對減弱，而圍巖的影響又逐漸增大，降低了曲線的分辨率，也會(huì)給目的層測得的視電阻率曲線造成較大影響。

因此，選用的電極系電極距不能太大也不能太小。

②井的影響

由于井內(nèi)泥漿電阻率比剖面上高阻巖層的電阻率低得多，從而對電極系供電電極造成的電場分布起分流作用。主要有以下兩個(gè)方面：

井徑的影響：井徑越大，探測范圍內(nèi)低阻泥漿越多，對測量結(jié)果影響越大，視電阻率越低;

井內(nèi)泥漿電阻率的影響：泥漿電阻率低時(shí)，由于分流作用增強(qiáng)，也使得視電阻率曲線幅度降低。

③圍巖和層厚的影響

電極系選定后，電極距一定。滲透層（地層）厚度不同，視電阻率曲線也會(huì)出現(xiàn)差異。地層薄，低阻圍巖的影響就會(huì)加大，視電阻率曲線值幅度偏低。

④侵入影響

泥漿侵入造成滲透層徑向電阻率分布的變化，出現(xiàn)了沖洗帶、過渡帶和原狀地層，井壁還有泥餅的存在。

沖洗帶：巖層孔隙中的地層水全部被泥漿濾液取代，電阻率用RXO表示;

過渡帶：巖層孔隙中的地層水部分被泥漿濾液取代;

原狀地層：未受到泥漿的影響。

⑶視電阻率曲線的解釋

梯度電極系探測深度大，受鉆井液影響小。因此，測試電阻率宜采用梯度電極系，本文討論梯度電極系曲線。

①梯度電極系理論曲線

電測井理論公式

由于理想梯度電極系（或）為無窮小，此時(shí)M、N（或A、B）和記錄點(diǎn)O合為一點(diǎn)，視電阻率公式可寫為：

其中Eo是記錄點(diǎn)O處沿井軸方向的電勢的梯度，令，且有，則視電阻率公式為：

Ro為記錄點(diǎn)O所在處的介質(zhì)的真電阻率，jo為記錄點(diǎn)O處的實(shí)際電流密度。

由公式可以看出，在測量條件不變的情況下，所測的視電阻率值與記錄點(diǎn)處的實(shí)際電流密度、記錄點(diǎn)所在介質(zhì)電阻率成正比。

圖1? 底部梯度理論曲線

下面由圖1來說明電極系在井中提升的過程中，視電阻率的變化。設(shè)一高阻層，其電阻率為，厚度為，上下圍巖相同，電阻率為，忽略井的影響。第一階段，在下部圍巖離高阻層較遠(yuǎn)處，相當(dāng)于電極系在電阻率為Rs的均勻介質(zhì)中，視電阻率測量結(jié)果不受高阻層的影響，因此為一直線，Ra=Rs，到a點(diǎn)為止;

第二階段，儀器上升到離高阻層較近時(shí)，Ra受到高阻層的影響，對電流有排斥作用，使記錄點(diǎn)處的實(shí)際電流密度增加，此時(shí)jo>joj，并且越靠近高阻層，jo呈上升趨勢，所以Ra值增大，到達(dá)高阻層底界面時(shí)，電阻率到達(dá)b點(diǎn);

第三階段，儀器上升到記錄點(diǎn)離高阻層一倍電極距以內(nèi)時(shí)，A電極流出的電流在界面法向上連續(xù)，Ra值只與界面兩端的介質(zhì)的電阻率有關(guān)，，直到記錄點(diǎn)進(jìn)入高阻層，得到曲線bc段;

第四階段，記錄點(diǎn)進(jìn)入高阻層以后開始一段時(shí)間內(nèi)，記錄點(diǎn)處的介質(zhì)

電阻率突然由Rs增至Rt，并且由于下面圍巖的電阻率較低，對電流有一定的吸引作用，因此記錄點(diǎn)處的實(shí)際電流密度jo要大于joj，由公式看出，Ra>Rt，因此在界面處形成了視電阻率極大值，即曲線的cd段，故極大值可確定地層界面;

第五階段，隨儀器的上升，Ra受下部圍巖的影響逐漸減小，Ra也逐漸減小至高阻層實(shí)際電阻率Rt止，曲線到達(dá)e點(diǎn);

第六階段，在高阻層內(nèi)遠(yuǎn)離上下圍巖的一段距離內(nèi)，Ra保持不變，為高阻層的實(shí)際電阻率值。

第七階段，隨儀器的上升，Ra逐漸受到上部圍巖的影響，使jo減小，Ra逐漸變低。

第八階段，記錄點(diǎn)上升到離上界面一倍距離內(nèi)，視電阻率值保持不變，且主要受到上下介質(zhì)電阻率的影響為直到記錄點(diǎn)到達(dá)上界面處。

第九階段，記錄點(diǎn)進(jìn)入上部圍巖，此處的電流由于受到高阻層的影響，實(shí)際電流jo較joj小，且記錄點(diǎn)處的介質(zhì)電阻率突然由Rt變?yōu)镽s，因此曲線急劇下降到i點(diǎn)，且Rt

第十階段，記錄點(diǎn)遠(yuǎn)離高阻層而不受其影響，此時(shí)Ra為一直線段值Rs。

這是底部梯度電極系在較厚縱向階躍介質(zhì)視電阻率曲線特征的理論依據(jù)，由極大和極小值點(diǎn)可以確定高阻層的底界面和頂界面深度;而頂部梯度電極系視電阻率曲線具有相反的特征。

②巖層視電阻率讀取方法

高阻厚層：取視電阻率曲線中間的平直部分的平均值。

中等厚度的高阻層：去掉屏蔽區(qū)取面積平均值法，在底部梯度電極系視電阻率曲線上，在高阻層內(nèi)距頂界面一個(gè)電極距范圍內(nèi)，視電阻率值低，這個(gè)范圍叫盲區(qū)或屏蔽區(qū)。讀數(shù)時(shí)去掉這部分，找一條與井軸平行的直線與視電阻率曲線相交，使得視電阻率曲線在交點(diǎn)兩側(cè)與直線圍成的面積相等。

三、結(jié)論與認(rèn)識

1、在地鐵勘察中的電阻率測試的方法根據(jù)場地條件采用地面電測深法或者電測井法。

2、地面電測深法方便、費(fèi)用相對低，在場地條件許可，地性層簡單情況下優(yōu)先采用。

3、采用工勘鉆孔電測井法，應(yīng)采用梯度電極系，如M2.25A0.5B雙極供電正裝梯度電極系探測深度達(dá)到3.5m，基本反映原狀地層的電阻率。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅良魁主編：1991年，應(yīng)用地球物理教程[M]，地質(zhì)出版社

[2]尉中良、鄒長春編著：2005年，地球物理測井[M]，地質(zhì)出版社