應用綜合電阻率法勘察隱伏斷層

蔣全科, 雷　宛, 黃霄寒, 慕　陽, 余　凱

(1.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.四川省交通運輸廳 交通勘察設計研究院，成都 610017)

應用綜合電阻率法勘察隱伏斷層

蔣全科1,2, 雷宛1, 黃霄寒1, 慕陽1, 余凱1

(1.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.四川省交通運輸廳 交通勘察設計研究院，成都 610017)

[摘要]探討隱伏斷層在復雜地質(zhì)條件下的具體位置和形態(tài),進而保障隧道開挖施工的順利進行。采用綜合電阻率法探測拉林線某隧道開挖縱斷面頂部的斷層發(fā)育狀況，通過對復雜地質(zhì)條件下視電阻率異常的綜合解釋，結(jié)果表明“串珠狀電阻率異?！焙汀按笮O距交點位移”真實地反映出隱伏斷層所在的位置和形態(tài)，且通過鉆探得到了驗證。對隧道隱伏斷層的地球物理勘探手段應以綜合電阻率法為主。

[關鍵詞]高密度電阻率法；斷層；隧道；聯(lián)合剖面法；視電阻率

隱伏斷層是隧道施工中最常見的不良地質(zhì)條件，斷層破碎帶分布區(qū)域也是隧道圍巖最不穩(wěn)定的區(qū)域之一，斷層對隧道開挖施工的影響主要表現(xiàn)在：(1)斷層降低圍巖整體強度；(2)斷層改變了巖體的物理學性質(zhì)。所以斷層是造成隧道塌方、涌水突泥、大變形等隧道施工地質(zhì)災害的主要原因之一[1,2]。

斷層屬于隱伏構造且在地下一定深度的范圍內(nèi)，不易采用傳統(tǒng)的地質(zhì)手段來觀察，且在大多數(shù)情況下由于巖石破碎、裂隙發(fā)育且往往充水充泥，與圍巖相比，斷層一般具有較低的電阻率[1-3]。因此構成了使用電法勘探的必要條件。

在本次隧道工程地質(zhì)勘察中采用高密度電阻率法和聯(lián)合剖面法進行綜合勘探。其中高密度電阻率法具有采集信息量大、觀測精度高、探測速度快和探測深度較深等優(yōu)點被工程物探人員廣泛使用，而聯(lián)合剖面法對于直立或者以一定角度傾斜的低阻脈狀體具有很好的觀測效果[4,5]。

1工作原理

1.1高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種陣列式的勘探方法，它同時具備電剖面法和電測深法的特點。在常規(guī)的電阻率法勘探中，為測定均勻大地的電阻率，通常采用對稱四級裝置，即建立供電電極A、B和測量電極M、N，利用相關儀器測量M、N之間的電勢差ΔUMN和A、B回路中的電流I，根據(jù)電學中的定義，可以寫出ΔUMN的值為

(1)

式中:I為電流強度；ρ為均勻大地電阻率。

由式(1)可以導出均勻大地電阻率的計算式為

(2)

式中K稱之為裝置系數(shù)，

裝置系數(shù)K的大小僅與供電電極A、B和測量電極M、N的相互位置有關，當電極位置固定時，K即可確定。

在實際工作中，常遇到的地電斷面一般是不均勻且比較復雜的，當采用(2)式計算電阻率的時候，所得到的結(jié)果是在該電場分布范圍內(nèi)各種巖石電阻率的綜合影響值，稱之為視電阻率，并且用ρs表示。因此，視電阻率的表達式為[1,4,5]

(3)

式中:K為裝置系數(shù)；ΔUMN為測量電極M、N之間的實際電勢差；I為供電回路A、B的電流強度。

高密度電阻率法就是基于上述原理，現(xiàn)場工作時在預先選定的測線和測點上，同時布置60或者120根電極，然后利用多芯電纜將它們連接到轉(zhuǎn)換器上，電極轉(zhuǎn)換器將這些電極組合成為指定的電極裝置和電極距，進而用自動電測儀快速完成多種電極裝置和多電極距在觀測剖面的多個測點上的電阻率觀測[8]。高密度電阻率法常用的裝置類型如下。

a.溫納對稱四級裝置AMNB(w-α)。它比較穩(wěn)定，橫、縱向分辨率較好，抗干擾能力較強。一般高密度電法勘探中，溫納對稱四級裝置的使用率極高。

b.溫納偶極-偶極裝置ABMN(w-β)。偶極裝置對垂向電性變化最靈敏，適用于測量垂向電性變化較大的地質(zhì)剖面[8]。

c.微分裝置AMBN(w-γ)。微分裝置對地形的要求很嚴格，當?shù)匦斡衅鸱臅r候，效果并不理想，所以一般情況下不用微分裝置的結(jié)果作為主要判別的標識。

1.2聯(lián)合剖面法

圖1　聯(lián)合剖面法裝置示意圖Fig.1　Scheme showing device of composite profiling method

聯(lián)合剖面法是利用聯(lián)合剖面裝置(AMN∞MNB)，如圖1所示，它由2個對稱的三級裝置組成，故稱為聯(lián)合剖面裝置。其中供電電極A、B和測量電極M、N位于同一條測線上，以測量電極M、N的中點為記錄點，且極距滿足關系式：AO=BO,MO=NO。電源正極可分別接至A極或B極，負極接到置于無窮遠的C極。C極要垂直于測線方向布置，且CO>5AO。工作中應保持電極間的距離不變，沿測線在每一個點上分別測量A、C極供電和B、C極供電時的電流強度和電位差，然后按照下式求出2個視電阻率值[4,5]

(4)

(5)

式中 K稱之為裝置系數(shù)

聯(lián)合剖面法主要用于尋找產(chǎn)狀陡傾的層狀或脈狀低阻體或斷裂破碎帶[4]。根據(jù)聯(lián)合剖面裝置的特性，可知理論上ρs,A和ρs,B曲線是完全對稱的，可根據(jù)不同極距的聯(lián)合剖面的ρs曲線的交點位移情況來判斷地質(zhì)體(巖層或斷層)的傾向。其中小極距能反映出淺部情況，大極距能反映出深部情況。大極距相對于小極距的低阻正交點的位移越大，則地質(zhì)體傾角越??；大小極距位移方向代表地質(zhì)體傾向。對淺層向右傾斜低阻脈狀體模型，其理論電剖面曲線如圖2所示[5]。

2工程實例

2.1工區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1.1概況

隧道位于青念青唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區(qū)。區(qū)內(nèi)山勢雄偉，測區(qū)內(nèi)高點位于隧道軸線左側(cè)山脈，海拔高度為4 400 m；最低點位于隧道進口寬谷地帶，海拔高度為3 550 m。隧道縱斷面海拔高度為: 3 560～4 370 m。隧道進、出口有鄉(xiāng)村公路相通，交通較方便。

圖2　傾斜低阻脈狀體模型的理論電剖面曲線示意圖Fig.2　Diagram demonstrating the model of theoretical electric profile curve of slope low-resistance vein body

2.1.2隧道洞身工程地質(zhì)條件

隧道洞身主要穿越古近系始新統(tǒng)溶母棍巴單元中粒角閃黑云二長花崗巖(E2R)、白堆單元中粒斑狀角閃黑云二長花崗巖(E2B)、畜牧單元中-細粒少斑狀黑云花崗閃長巖(E2X)；上白堊統(tǒng)門朗單元中-細粒角閃黑云石英二長閃長巖(K2M)，巖性破碎，巖質(zhì)堅硬；基巖段地下水貧乏，出口段卵石土及砂層地下水豐富；構造發(fā)育，隧道DK169+000～DK172+280段存在巖爆可能性：洞身工程地質(zhì)條件差。

2.1.3工區(qū)的地質(zhì)構造

隧址區(qū)基巖大部份裸露，各巖層間為角度不整合接觸。區(qū)域性斷裂構造發(fā)育，洞身依次穿越有拉龍-藏噶性質(zhì)不明斷裂和沃卡-羅布莎斷裂。

受構造影響，巖體較破碎。隧道進口端基巖節(jié)理的產(chǎn)狀為：N30°W/84°S； E-W/78°N；N5°E/40°N。隧道出口端基巖節(jié)理的產(chǎn)狀為：N70°W/78°S；N67°E/77°S；N10°E/42°S。

2.1.4水文地質(zhì)特征

a.地表水

隧址區(qū)地表水主要為溝水，雨季及冰雪融化季節(jié)溝中有流水，枯水季節(jié)溝中無水。

b.地下水

按地下水賦存條件分為2種類型：第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。

基巖孔裂隙水主要分布于閃長巖、花崗巖中，其水量大小主要由巖層分布面積及孔裂隙率大小控制?？傮w上看，由于受到雅魯藏布江河谷深切作用，隧址區(qū)內(nèi)地下水埋深大，屬于中等—弱富水性，主要接受大氣降水入滲補給。雅魯藏布江河是區(qū)域內(nèi)最低排泄基準面，地下水接受大氣降水入滲補給后，通過地下徑流，最后向雅魯藏布江河谷排泄。

2.1.5地球物理條件

在正式展開工作之前，必須對工區(qū)內(nèi)不同巖石的電性參數(shù)進行大概了解。通過巖樣取心進行了物探電性參數(shù)實測，得到工區(qū)電性參數(shù)(表1)。

表1　工區(qū)主要巖性電阻率值

由此可見，斷層破碎帶與圍巖之間存在明顯的電阻率差異，具備進行高密度電阻率法勘探的地球物理條件。

2.2野外施工方法和技術

本次勘探所跨越的隧道工區(qū)里程為DK171+694到DK171+839。工程地質(zhì)勘察資料上顯示，F(xiàn)5-2斷裂帶全長約60 km，近SN向-NE向展布，傾向W或NW，具正斷性質(zhì)。沿斷裂，斷層三角面及陡崖地貌十分發(fā)育，遙感影像上線性特征十分明顯。該斷裂控制沃卡盆地東側(cè)邊界，為Q4活動斷裂。

根據(jù)相關的工程地質(zhì)資料和地形地質(zhì)物性條件，并且對3種裝置的實驗結(jié)果進行對比，決定采用溫納對稱四級裝置進行詳細勘探，采用聯(lián)合剖面法進行輔助勘探。由于斷層在垂向具有一定的延伸性，且考慮到隧道洞身的寬度一般不超過10 m，為保證此次勘探結(jié)果具有一定的精度，因此采用一條主測線、一條旁測線的測量模式，考慮到隧洞的寬度，主測線位于隧道的垂向正上方，旁測線平行于主測線偏移5 m的距離。由于探測深度>10 m，故使用高密度電法時宜采用的點距Δx=5 m，電極為60根，測線長度為300 m，最大供電電壓為360 V。

使用聯(lián)合剖面法進行勘探時，其測線應與高密度電阻率法勘探的主測線相重合，坐標原點相重合。為保證一定的勘探深度，聯(lián)合剖面采用大極距AO=BO=90 m，MN=點距=5 m，小極距AO=BO=50 m，MN=點距=10 m進行勘探，用以查明地下斷層的大概位置與傾斜程度，并且將所得到的結(jié)果與高密度電法勘探所得到的結(jié)果進行比對和綜合解釋。本次勘探的測線布置如圖3所示。

2.3資料處理與成果解釋

2.3.1資料處理

高密度電阻率法由于勘探數(shù)據(jù)量巨大，所以一般采用專用的處理軟件在計算機上進行處理并最終成圖。本次勘探中所采用的是瑞典開發(fā)的Res2DINV反演軟件，將從野外采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，通過該軟件進行處理。這其中主要包括濾波處理、地形校正等內(nèi)容，然后采用平滑約束最小二乘法進行反演生成反演圖像，得到視電阻率的相應色譜圖；最后通過反演圖像對地下地質(zhì)現(xiàn)象進行合理的解釋，并輔以聯(lián)合剖面法所得到的數(shù)據(jù)進行綜合解釋。

圖3　綜合電阻率法勘探測線布置圖Fig.3　Map showing the prospecting line layout for multi-resistivity method

2.3.2成果解釋

a.高密度電阻率法的主測線剖面

b.高密度電阻率法的旁測線剖面

圖5為拉林線藏噶隧道橫跨DK171+694至DK171+839段的高密度電阻率法勘探旁測線Ⅲ的結(jié)果。與主剖面相比可以看到，地下地電斷面的電阻率分布情況有所改變，這主要表現(xiàn)為在測線坐標120～160 m，深度15 m之后的區(qū)域電阻率呈現(xiàn)出相對低值，但斷層異常還是十分明顯，仍舊是在圖中所標斷裂帶的左右兩端呈現(xiàn)出“串珠狀”的電阻率異常分布，且串珠之間的狹長異常帶的電阻率明顯低于串珠內(nèi)部的電阻率。該斷層幾乎直立，略傾向E或NE，與測線近垂直相交，具正斷性質(zhì)。

圖4　主測線Ⅰ高密度電阻率法勘探成果Fig.4　Results of high density resistivity prospecting main line Ⅰ

圖5　旁測線Ⅲ高密度電阻率法勘探成果Fig.5　Results of high density resistivity prospecting side line Ⅲ

c.聯(lián)合剖面法輔助勘探

圖6　聯(lián)合剖面法成果圖Fig.6　Results of composite profiling method

圖6為聯(lián)合剖面法勘探的成果。測區(qū)內(nèi)地形較平坦，可以排除地形影響；大小極距低阻體正交點異常幅度變化不大，根據(jù)大極距正交點的位置(110 m)相對小極距正交點的位置(115 m)向大號方向移動了5 m的特征，推測斷層傾向測線大號的方向，斷層的傾角大約為85°，圖中所示的地質(zhì)簡圖給出了斷層的推斷傾向。此外，圖6所示聯(lián)合剖面法所得到的電剖面曲線與圖2所示傾斜低阻脈狀體模型上所計算出的理論曲線幾乎完全吻合，這對該成果解釋的準確性提供了重要的理論依據(jù)。

3結(jié) 論

本文通過采用高密度電阻率法和聯(lián)合剖面法相結(jié)合的綜合電阻率法查明了拉林線某隧道DK171+694至DK171+839段縱斷面正上方存在的斷層構造，所得到的結(jié)果相對清晰。對比拉林線相應隧道的工程地質(zhì)說明和鉆探驗證的結(jié)果來看，綜合電阻率法得到的結(jié)果與實際基本一致，說明綜合電阻率法是隧道工程地質(zhì)勘探中比較有效的探測手段。

a.高密度電阻率法是在地表覆蓋層厚度一般<30 m時的詳查斷層首選方法，主要用于探測斷層的位置、規(guī)模、延伸情況等。聯(lián)合剖面法對直立或者有小角度傾斜的低阻脈狀體的探測效果極佳。

b.利用高密度數(shù)據(jù)反演軟件所得到的反演結(jié)果和聯(lián)合剖面法不同極距的正交點位置，通過合理的物探解釋，較準確地探測出了沃卡-羅布莎斷裂F5-2斷裂帶在所在隧道開挖施工縱斷面中的具體位置、規(guī)模及延伸情況，并且與實際地質(zhì)考察資料、鉆探資料基本吻合。

c.若工區(qū)工程地質(zhì)條件更為復雜，僅用電法勘探并不能真實客觀地再現(xiàn)地下的地質(zhì)情況時，應采用諸如電磁勘探、測井、淺層地震勘探等多種物探方法進行綜合解釋，并采用鉆探進行相互映證方能得到較好的地質(zhì)勘探效果。

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An application of prospecting concealed fault with multi-resistivity method

JIANG Quan-ke1,2, LEI Wan1, HUANG Xiao-han1, MU Yang1, YU Kai1

1.StateKeyLaboratoryofGeo-hazardPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.SichuanCommunicationSurveying&DesignInstitute,Chengdu610017,China

Abstract:Exploring the position and characteristic of concealed faults in complicated geological environment is one of the important safety tasks for tunnel excavation. High density resistivity method and composite profiling method are used to prospect the concealed fault situation in vertical sections of the Lalin tunnel. Comprehensive interpretation of apparent resistivity anomaly in complicated geological conditions reveals that the particular position and dip of hidden faults prospected in the working area are reflected by beading shaped resistivity anomaly and displacement of big-small pole distance, which is proved by drilling exploration. It considers that comprehensive electrical resistivity method is a major geophysical exploration method for the exploration of concealed faults in tunnels.

Key words:high density resistivity method; hidden fault; tunnel; composite profiling method; apparent resistivity

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.15

[文章編號]1671-9727(2016)03-0378-07

[收稿日期]2014-12-30。

[基金項目]國土資源部地質(zhì)大調(diào)查項目 (1212010733803)； 國土資源部青藏專項(1212010818089)；中鐵工程局固西公路隧道超前地質(zhì)預報(2-JF-2014_2-004)

[分類號]P631.3

[文獻標志碼]A

[第一作者] 蔣全科(1990-),男,碩士研究生,研究方向:道橋巖土工程勘察設計和道橋工程物探, E-mail:344071318@qq.com。