電法勘探在高鐵地基勘查中的解析和應用

韓志剛，占建琴

(1.山西省煤炭地質水文勘查研究院，山西太原030006；2.廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，廣西南寧530029）

1 概述

物探是通過觀測和研究各種地球物理場的變化來解決地質問題的一種勘察方法，其作為一種勘探手段在各種勘查工作中被廣泛運用[1-3]。近些年我國高鐵事業(yè)飛速發(fā)展，為了保證高鐵運營的安全，在初期勘察過程中投入大量的人力物力進行勘察設計工作，物探就是其中的先行手段。物探按照物性可分為：重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探和地熱勘探。所以在高鐵路基勘察中應根據(jù)目的任務的不同選用相應的物探方法，方法及施工裝置選擇的合理與否直接關系到勘測結果的準確性。

2 方法可行分析

探測方法的選擇要結合方法特性[4-6]和勘探目的任務來考慮。筆者以電法類勘探方法為例介紹，電法類勘探手段的可行性主要有3個要求：

（1）要求目標體與圍巖之間有明顯的電性差異；

（2）選擇的儀器及施工裝置有效探測深度大于地質目標體埋深；

（3）必要施工的地形和接地條件。

3 應用實例分析

3.1 在煤礦采空破壞區(qū)探測中的應用

山西省煤炭開采歷史久遠，隨著我國高鐵建設的快速發(fā)展，途經山西煤礦富集區(qū)的線路勘查中煤礦采空探測成為不可回避的問題。太原至蘭州高鐵南則隧道初設線路位于歷史上有過小窯開采活動的呂梁地區(qū)。由于開采歷史久遠，煤礦采掘資料不詳且無法進行井下實測，為了使設計線位盡量規(guī)避煤礦采空區(qū)，需要對初設線位左右各100m的范圍進行探測。

勘查區(qū)內賦存的地層由老至新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組；石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組及上第三系、第四系地層。歷史有過開采活動的最上層煤為4號煤層，埋深大概在230m。在初步確定了目的層的深度及野外踏勘后，考慮到勘查區(qū)地處晉西黃土高原，地形主要以黃土臺、塬、峁、梁及黃土沖溝為主，侵蝕切割嚴重，溝谷發(fā)育呈羽毛狀展布，地形復雜。我們結合經驗決定應用小回線TEM法裝置[7-8]探測下伏4號煤層是否存在采空破壞區(qū)。

小回線TEM法探測深度問題眾多學者已經有過明確的推理計算和實例應用。深度計算采用蔣邦遠在《實用近區(qū)磁源瞬變電磁法勘探》一書中經過討論各種定義的深度和模型計算得出公式：

式中：I——發(fā)射電流；

L——發(fā)射邊框；

Ρ——平均電阻率（ρt或ρn）。

本區(qū)地層平緩，平均電阻率的計算采用縱向電阻率計算公式。結合地質資料建立勘查區(qū)電阻率地層模型見圖1。

對模型1賦予表1中的參數(shù)值后，帶入式（2）中計算。

圖1 地層的電阻率模型

表1 地層模型參數(shù)表

經計算，勘查區(qū)地層模型平均電阻率為97.14Ω·m，使用5m×5m發(fā)射邊框，供電電流300A，將參數(shù)帶入公式（1）中計算得出有效探測深度可達300.5m滿足本次勘探要求。

從4號煤層視電阻率平面圖（圖2）中可以看出視電阻率值變化范圍基本在116～156Ω·m之間，其中Ⅲ號異常為已知采空區(qū)，視電阻率值大于140Ω·m，以此為采空區(qū)異常的值，推斷的解釋4處采空區(qū)，其中Ⅱ號異常解釋為地面鐵磁性（停放有挖機等機械設備）造成的低阻異常。

對物探推斷解釋的成果施工3個鉆孔進行了鉆探驗證，如圖2所示編號為ZK03的鉆孔布設在Ⅱ號低阻異常內，編號ZK02的鉆孔布設在解釋的未采空區(qū)域，編號ZK04的鉆孔布設在Ⅴ號高阻異常內。

3個鉆孔的驗證情況與物探成果相吻合，說明本次物探方法選擇有效，測網布設和參數(shù)選擇合理。

3.2 在基巖面和溶洞探測中的應用

太焦高鐵沿線襄垣縣西營鎮(zhèn)南側和焦作北側的太行山區(qū)的巖性主要為奧陶系及寒武系石灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云質泥灰?guī)r夾泥質灰?guī)r等，由于受構造影響，巖體裂隙發(fā)育，受地下水長期溶蝕作用，沿構造裂隙發(fā)育成較大型的溶洞，為了確定基巖面深度和探測高鐵初設線位下伏地層是否存在溶洞發(fā)育。采用激發(fā)極化法進行探測。

圖2 4號煤層視電阻率平面圖

由于探測目標體較小，為了提高探測精度以達到理想探測效果。布設點距為10m，施工裝置選擇對稱四極裝置，該裝置的記錄點在MN中間，其優(yōu)點是對下伏目標體有較高分辨率。由于后期需要用量板法定量解釋，而量板的編制時的ρs理論曲線計算不論哪種形式的理論公式，總是地層參數(shù)及AB/2的函數(shù)（MN→0），所以極距滿足1/3＞MN/AB＞1/30的前提下越小越好，具體施工極距見表2。

野外數(shù)據(jù)采集要求現(xiàn)場繪制電測深曲線，對出現(xiàn)畸變的數(shù)據(jù)要及時檢查原因，補充測點最終排除假異常。視電阻率（ρs）測深曲線繪制要求橫、縱坐標均采用對數(shù)坐標，模數(shù)均為6.25cm，橫坐標代表供電電極距AB/2(即勘探深度)，縱坐標代表視電阻率值（ρs）的大小。

表2 施工極距表

從圖3（DK246+420點視電阻率曲線圖）中可以看出該點曲線為HA型，在AB/2=10m處就以45°漸近線上升，說明該點基巖面埋深小于10m，上升角度小于45°，說明該處有巖溶發(fā)育或基巖完整性差，裂隙發(fā)育。

圖3 DK246+420點視電阻率曲線

圖4 DK246+480點視電阻率曲線

同樣從圖4（DK246+480點視電阻率曲線圖）中可以看出該點曲線為HA型線，在AB/2=20m處就以45°漸近線上升，說明該點基巖面埋深小于20m，在AB/2=40m處上升角度接近或大于45°，說明該處基巖完整性較好。

然后應用交通部編制的“對稱電測深二層量板”對各點進行巖性界面定量解釋，計算得出深度調整系數(shù)后應用相關軟件生成視電阻率剖面等值線圖(見圖5a)和視極化率剖面等值線圖(見圖5b)。

從圖5a中可以看出在里程DK246+455～DK246+470處，高程970m處，視電阻率等值線出現(xiàn)幅度較大的彎曲，本段測線基巖視電阻率較低，說明該段基巖完整性差，裂隙較發(fā)育；從圖5(b)中可以看出在里程DK246+420～DK246+430處，高程982m處，極化率等值線密集，出現(xiàn)半閉合異常，結合地質資料推斷為巖溶異常，在里程DK246+455～DK246+470處，高程970m處，極化率等值線出現(xiàn)幅度較大的凹陷且形成閉合圈，與電阻率推斷的異常相吻合，結合地質資料推斷為基巖破碎或溶蝕異常。

綜合量板法解釋的單支曲線、視電阻率剖面等值線圖和視極化率剖面等值線圖推斷得出：該測線段的基巖面以視電阻率剖面等值線圖中40Ω·m為基巖和黃土覆蓋分界線（圖5b中黑色粗線），溶洞異常解釋2處（圖5b中編號RD1和RD2）。

在DK246+425處（RD1異常）布設鉆孔進行驗證，總鉆進18m，在7.6m處見深灰色石灰?guī)r，在11.5～12.4m處出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，充填物為泥巖和砂粒。驗證結果與物探綜合推斷解釋成果基本吻合。

4 結論

（1）從2個實例可以看出在工程勘察中物探方法和裝置選擇合理的前提下，可以有效地解決工程相關問題。

（2）從效率和成本上看，物探是在地質調查有異常的前提下，確定異常特征的首選方法，它在我國各項工程快速建設中有重要意義。

（3）由于物探推斷遵循由已知到未知的原則，所以試驗工作的有效及合理是后期解釋的保障。

（4）物探解釋要結合地質情況合理推斷分析，脫離地質的解釋會造成誤判，影響探測結果的準確性。