基于直流电阻率法探测隧道上覆地层赋水性

沈 哲， 杨振威， 李宏伟

(1.河南省煤田地质局，郑州 450046； 2.河南省煤田地质局院士工作站，郑州 450046；3.河南理工大学资环学院，河南焦作 454000；4.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南焦作 454000)

黄土塬区的黄土属于一种特殊的岩土，可分为老黄土和新黄土，于新生代第四纪堆积，老黄土包含古土壤层、钙质结核层，致密性强、孔隙率低，地基承载力高，一般不具湿陷性；新黄土可分为风积黄土和二次堆积的全新统黄土，全新统黄土层主要为洪积、冲积、山地斜坡的坡积和重力堆积，土质疏松、均匀，且存在承载力较差、孔隙率偏高，湿陷性强等严重工程地质问题[1-2]。

黄土隧道的建设和维护过程中都会面临隧道变形、地表沉降和新黄土湿陷性等威胁，基于黄土地层的隧道可能发育较大空隙、柱状节理，且渗水性强，对洞身影响很大。隧道上方地表水文地质条件的改变，会引起原本干燥的隧道洞身赋水性增加，严重者可出现隧道顶板淋水、变形，甚至顶板垮塌，极大的威胁隧道通行人员和车辆的安全[3-5]。

河南西部某库区黄土隧道顶板埋深约30～50m，建成于20世纪70年代，近几年来，随着地表人文地质环境的改变，出现了隧道顶板淋水、变形等情况，严重威胁着洞身安全，为查明隧道上方地层赋水性特征，进而采取有针对性的治理措施，在隧道上方区域开展了直流电阻率法探测，限于地表地形起伏特征以及厂区、道路等人文设施，采用了偶极—偶极装置对研究区进行了常规直流电阻率探测，查明了上覆地层赋水性特征，为黄土覆盖区地层赋水性探测等工程地球物理勘探技术研究，进而解决工程地质问题提供了一定的借鉴意义。

1 地质概况

研究区隧道内壁距B口约30m处可见浸水痕迹，隧道口附近受风化作用影响，隧道内砖表面存在阴干现象，可见水浸痕迹阴干后的白色物质沿砖缝显示，经化验证明为水浸后钙华的渗出物。整个隧道内整段均有此现象存在，浸润程度不一，部分地段砖块表面脱落，出现大面积红色新鲜面，指示隧道内受上覆黄土地层中的水浸润时间长，遭受水害破坏严重。隧道内壁距隧道A口50m内未见淋水影响痕迹，且内砖壁保持完好，隧道内鼓和砖块表面保存完整，亦未见水浸现象。

隧道上方地表呈阶梯状，B口方向地势较高，地面高程207.91m，高于隧道地面40～60m。地表具有黄土区地貌特征，冲沟、垂直节理较发育，且可见高角度边坡、陡砍和峁梁地形。

地表沿隧道走向方向为台阶状地貌，西北侧有建筑物，且隧道上方有一水仓。水仓南侧的建筑物和水泥硬化地面，造成大气降水汇集于水仓南侧黄土地层中，形成冲沟、塌陷坑和地裂缝。部分积水和大气降水沿地表径流进入沥青大路两侧排水沟内，顺沟渠流向东南方向。

隧道上方沥青道路两侧均修筑有排水沟，沟内壁前期为浆砌石结构，为防止水下渗，后期在排水沟内铺设防渗层。路南侧为公路边坡，属黄土边坡，边坡构筑有拱形防护措施，路基边坡上可见大气降水和地表径流形成的小型冲沟，亦可见大气降水下渗后浸出的白色钙华浸出物[6-7]。

沥青路护坡下方为一公司生产厂区，隧道穿过位置地面标高198.59～199.09m，隧道A出口距地面高差约50m。厂区内道路为水泥硬化路，且建筑物较多，厂区南部有体育活动场地，西南侧有一5层大楼直接压覆于隧道上方。整个厂区硬化面积较大，其它区域为耕地，农作物为小麦，野外踏勘恰逢麦田灌溉，地表湿润。厂区硬化路面、建筑物和麦田灌溉等不利条件对现场探测带来了一定影响，如图1所示。

图1 直流电阻率法勘探测线布置图Figure 1 Galvanic resistivity method prospecting line layout

2 数据采集与处理

为探测隧道上覆地层赋水性特征，考虑到地球物理方法原理和目标探测深度，采用直流电阻率法作为本次探测方法。直流电阻率法是通过供电电极在地下建立直流电场，利用接收电极接收地下一定深度范围内的电场，再通过资料整理、去噪等数据处理，并进行了反演、成图，研究地下一定测深范围内电性结构特征的地球物理方法。

基于测区地表地形起伏较大，建筑物分布密集的现状，采用直流电法的偶极—偶极装置进行数据采集，偶极——偶极装置又称做轴向偶极装置，即供电和接收电极都采用双电极顺次排列，并沿测线布设，保持供电电极(A、B)和测量电极(M、N)的相对位置不变，完成一次数据采集后，沿测线向前移动，完成一次剖面测量后，增加电极距，再进行一次剖面测量，将供电电极和接收电极的中点作为数据采集记录点，该装置形式融合了剖面测量和测深测量的优点，可用于研究沿测线地下一定深度范围内的电阻率结构变化特征。数据采集方法如图1、2所示[8-9]。

图2 偶极—偶极探测装置形式示意图Figure 2 A schematic diagram of dipole-dipolearray prospecting installation

图3 野外跑极方式示意图Figure 3 A schematic diagram of field devicemulti-electrode electrical method

为探查隧道上覆地层赋水性特征，在地表垂直隧道走向共布设4条测线，限于地表建筑物影响，并考虑到探测深度，测线长度并不一致，但线长基本满足探测深度要求。测线布置与隧道相对位置关系如图1所示，测线及测点工作量如表1所示。

表1 测线及测点工作量表

3 数据处理与解释

物性差异是进行地球物理勘探的前提条件，对于直流电阻法，地下岩(土)层存在电阻率差异是获取电性异常的基础，笔者搜集了黄土覆盖区主要土壤类型不同含水性条件下的电阻率[10-13]，如表2所示，不同地层电阻率差异较大，即使是黄土地层，在赋水性不同的情况下，电阻率差异依然较大，此特性为进行直流电阻率勘探提供了物性基础。

表2 华北地区不同类型土壤电阻率参考表

经过野外数据采集、室内资料处理，结合测区地质特征和野外记录，对4条测线数据进行了剔除突变点、圆滑等常规数据处理过程[14-15]。

经过数据处理后，本次研究采用了拟断面图对数据进行解释，成图过程为对视电阻率数据不经反演，直接进行插值处理，由Surfer软件生成电性剖面图，图形横轴为测点位置，即供电电极与接收电极间的中点O作为数据观测点，纵轴为测深点，深度为供电电极与接收电极间距离的1/2，如图4所示。

图4 野外采集数据记录观测点示意图Figure 4 A schematic diagram of field dataacquisition record observation points

最后得到4条视电阻率拟断面图，如图5-图8所示。4幅电阻率断面图电性特征明显，且具有较强的可对比性。11线断面图纵向上电阻率差异性强(图5)，由地表至地下，电阻率值逐渐增大，至-45m处，电阻率达到极大，结合测线与隧道的相对位置图，不难发现，在隧道所处位置，电阻率达到极大，即电阻率极大值处与隧道位置较吻合，由于隧道属空气层，其电阻率较上覆地层大，推测11线电阻率断面图深部高电阻率区域为隧道所在区域。

11线断面图-35m以浅地层电阻率整体偏低，-20～-35m，电阻率为10～60Ω·m，与下伏高阻区界限明显，显示该区域具有一定的赋水性。

图5 11线电阻率断面图Figure 5 Line 11 resistivity section

12线电阻率断面图如图6所示，12线电阻率整体偏低，仅存一高阻体，且与隧道位置大致吻合。值得注意的是，在隧道东侧(图中左侧)，存在一电阻率极低带，电阻率值不大于10Ω·m，推测具有较强的赋水性，需引起一定的注意。

沿测线50m附近区域，纵向上，电阻率变化不大，呈带状分布，电阻率值整体在10～20Ω·m，且由-15m向下延伸至-40m，推测此区域导水的可能性大。

图6 12线电阻率断面图Figure 6 Line 12 resistivity section

13线电阻率断面图如图7所示，13线电阻率整体偏高，且变化范围不大，最大不超过200Ω·m。高阻区域位于沿测线40～45m、测深-35～-40m附近，其且与隧道位置基本吻合。整体来看，低阻区域零星分布，需要指出的是，在图中标示隧道上方-20m区域，电阻率为20Ω·m左右，且向上延伸至地表。

图7 13线电阻率断面图Figure 7 Line 13 resistivity section

14线电阻率断面图如图8所示，该断面图纵向上具有层状特征，由地表至地下-35m处，电阻率逐渐变低，至-35m处，电阻率达到极低，受厂区内建筑物分布及地形限制，14线测深未达到隧道所在深度，但需要指出的是，14线电阻率断面图整体偏低，从地球物理的角度指示了14线隧道上覆地层整体赋水性强，需要引起注意。

图8 14线电阻率断面图Figure 8 Line 14 resistivity section

4 结论与认识

基于常规电阻率法研究了黄土覆盖区隧道上覆地层赋水性特征，为后期隧道治理工作提供了重要依据，也为黄土区复杂环境条件下地层赋水性探查技术提供了借鉴意义，并取得了如下认识：

(1)直流电阻率法作为一种传统的电法勘探方法，具有受干扰程度小，准确性高的优势，在浅层水文地质勘探中仍可发挥不可替代的作用；

以发射电极A和接收电极D的中点作为观测点、以AD长度的1/2作为探测深度进行插值得到视电阻率拟断面图可较准确的进行地质解释，甚至可以超越反演电阻率断面图。

(2)隧道作为高电阻率体，在电阻率剖面上显示为高阻区域，基于此，可更好的对比解释电性剖面，此外，也可以佐证电性剖面的正确性。

(3)黄土覆盖区具有地层疏松、地形起伏较大的特点，穿过黄土区的隧道遇水如果防范措施不到位的情况下，极易发生隧道淋水、变形等威胁，本文为相似地质条件下地层赋水性探测提供了一定了借鉴意义。