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摘 要：在山区铁路隧道工程中，断层破碎带对铁路设计影响重大，对设计专业也提出了更加严格的要求，因而准确划分出破碎带的深度与范围是非常必要且必须的。但是常规勘探手段代价高昂且耗时过长，并不适用于大规模山区作业。因此选择合适的物探手段至关重要。高密度电法是以土、水、岩、矿石等不同介质之间电阻的率差异为基础，用以查明地下地质构造和寻找地下不均匀电性体的地球物理方法。高密度电法具有采集数据量大、数据观测精度高的优点，因此在查明地下破碎带中拥有良好的探测效果。本文介绍了高密度电法在安庆市某铁路隧道破碎带调查中的应用效果。
关键词：破碎带 高密度电法 铁路工程 隧道 地质勘察
中图分类号：U452.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0012-03
Application of High Density Electrical Method in Railway Tunnel Investigation
DONG Tao
（China Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd.， Shanghai， 200070 China）
Abstract： In mountain railway tunnel engineering， fault fracture zone has a great impact on railway design， which also puts forward more strict requirements for design specialty. Therefore， it is important and necessary to accurately find out the depth and scope of fracture zone. However， conventional exploration methods are expensive and time-consuming， which is not suitable for large-scale mountain survey. Therefore， it is very important to select the appropriate geophysical prospecting means. High density resistivity method is a geophysical method based on the difference of resistivity between different media such as soil， water， rock and ore. It is used to find out the underground geological structure and find the underground inhomogeneous electrical body. High density electrical method has the advantages of large amount of data acquisition and high precision of data observation， so it has good detection effect in identifying underground fracture zone. This paper introduces the application effect of high density electrical method in the investigation of broken zone of a railway tunnel in Anqing city.
Key Words： Fracture zone; High density electrical method; Railway engineering; Tunnel; Geological survey
在鐵路工程实践中，地下普遍存在着诸多影响地基稳定的不良地质现象。由于铁路是线状工程，因此经常会遭遇断层破碎带这一不良地质现象。这种不良地质现象会给铁路路线的合理布局、工程设计和施工带来困难，由于断层破碎带深埋地下，一旦断层发生活动，会对建筑物的稳定和正常使用造成危害[1]。目前铁路工程中常用于断层破碎带探测的地球物理方法主要包括高密度电法、地震映像法、瞬变电磁法等方法[2-4]。高密度电法在进行野外数据采集时，电极布设一次完成，采集数据后即可对剖面进行数据观测。该方法所测得的测点数量大、所获得的电性信息丰富、探测的精度较高、工作效率高。通过自动控制转换装置可以对断面进行自动观测和记录，同时由于数据包含了丰富的地电信息，能较直观地反映出断面电性异常体的形态、产状等特征[5]。刘猛等研究了高密度电法在探测断层破碎带等方向的应用，结果表明效果较好[5-7]。根据前人的实践证明，高密度电阻率法是查明断层破碎带的一种有效手段[7]。本文以实际安庆市某铁路工程隧道为案例，通过高密度电法有效判定了断层破碎带的位置，为工程设计和施工提供了依据。
1 工程地质与地球物理条件
本工程位于安徽省安庆市，隧道穿越构造中山区，地势高低起伏，山峰与山间冲沟及谷地相间分布，局部地势落差较大，地面高程一般在300～1260m之间，隧道最大埋深750m。表层为第四系全新统耕植土，进出口及丘谷地带分布有上更新统的碎石土;下伏基岩岩性主要为前震旦系大别山群水竹河组斜长片麻岩，大别山群英山沟组二长片麻岩，大别山群斜长片麻岩。 根据经验统计和工区地球物理反演结果分析：断层破碎带的反演电阻率范围为800～1500Ω·m;节理裂隙较发育片麻岩的反演电阻率范围为1500～3000Ω·m;片麻岩的反演电阻率范围为3000～5000Ω·m。断层破碎带与片麻岩之间存在一定的电性差异，因此工区具备开展高密度电法的地球物理勘探前提条件。
2 方法原理
2.1 高密度电法原理
高密度电法是一种阵列式电阻率测量方法，它以导电性为基础，通过观测分析电场分布变化的规律为解决地质问题提供依据，其基本原理与传统的直流电阻率法相同[8]。在查找断层破碎带方面，其电阻率较围岩往往相差较大，电性异常反映明显，该法能够取得较好的地质勘查效果[9]。
2.2 使用仪器
高密度电阻率法测量仪器使用重庆地质仪器厂生产的DUK-2A高密度电法测量系统，野外数据采集采用温纳装置[10]。本次勘探电极间距8m，最大隔离系数为30。野外数据采集时保证电极接地电阻小于1000Ω，采用大电流供电，确保野外数据质量[11]。
3 资料解译与推断
3.1 数据处理
数据采集过程中，由于个别电极接触不好或其它各方面的干扰，会使数据出现一些异常突变点，进而造成电阻率反演图的显示异常，难以对其进行准确解译，因此必须剔除数据断面中的虚假点或突变点。同时在数据采集过程中，可能会受到一些随机噪声的影响，因此需要对数据进行后期检查并采用数据滑动平均方法进行处理[12]。高密度电法主要采集的参数为视电阻率，绘制成果图为高密度视电阻率等值线图。通过研究等值线断面图的电性特征推断层破碎带的空间位置。
3.2 剖面解译与钻孔验证
为了验证此次高密电法资料解译的可靠性，在物探解译为断层破碎带的位置布置了钻孔1个进行验证。
3.2.1 解译成果
從图1可见，隧道洞身两侧0～460m和820～1200m段电阻率值由两侧向内部逐渐降低，范围值约1500～5000Ω·m;460～820m段电阻率较两侧相比显著降低，电阻率值约为800～1500Ω·m，电阻率等值线呈向下延伸低阻条带，整体显示电性各向异性明显，分析该段地层受构造作用影响强烈，为断层破碎带，岩体破碎、富水。
3.2.2 钻孔验证
在图1中600m位置处布置了一个钻孔，钻孔资料显示，0～12.0m为全风化斜长片麻岩;12.0～38.0m为断层破碎带;38.0～90.0m为弱风化斜长片麻岩，节理裂隙较发育;90.0～121.5m为断层破碎带;121.5～136.0m为弱风化斜长片麻岩，节理裂隙较发育。见图2，结果表明与物探解译成果相符。
4 结语
在断层破碎带探测过程中，运用高密度电法，对断层破碎带的准确位置、断层带宽度以及延伸，断层带岩体的破碎程度以及富水状况进行了探测。并通过钻孔进行了验证，验证结果与解译成果相符。高密度电法成果解译图可形象地反映出所探测体的电性分布形态和结构特征，可以较为准确地推断出断层破碎带位置、埋深等参数，与钻探结合使用，可以大大减少钻探工作量。该法解译的破碎带深度与钻探揭露的深度虽然有一定差异，但总体上是比较准的，证明了高密度电法在断层破碎带方面是有效可行的。
参考文献
[1] 李天雨.综合地质勘察在贵广线三都隧道中的应用[D].成都：西南交通大学，2018.
[2] 张文鑫.AMT在山区隧道地质勘察中的研究与应用[D].成都：成都理工大学，2019.
[3] 郑龙金，罗海权，邹磊，等.综合物探法在浙西地区拟建隧道地质勘察中的应用研究[J].物探化探计算技术，2020（5）：678-683.
[4] 刘亮红，刘亮.综合物探方法在隧道工程勘察中的应用[J].价值工程，2019（26）：132-134.
[5] 刘猛，徐健楠，汤斌峰.高密度电法在城市轨道交通工程隐伏断层探测中的应用[J].铁道勘察，2016（5）：78-80.
[6] 龚旭亚，涂运中.多种勘察技术在马峦山隧道断层勘察中的应用[J].城市勘测，2018（4）：164-169.
[7] 周琛杰.高密度电法与AMT在断裂构造调查中的综合应用[J].工程地球物理学报，2017（3）：300-307.
[8] 余长恒，张旭林，王强，等.高密度电法在岩溶勘查中的参数试验——以四川南部宜宾市长宁页岩气开发区为例[J].矿产勘查，2020，11（9）：1986-1992.
[9] 林士宝，吴荣新，胡富彭，等.高密度电法对地形起伏条件下的岩溶发育探测研究[J].工程地球物理学报，2020，17（4）：478-483.
[10] 杨力.高密度电法和地震映像法在岩溶勘察中的应用研究[D].成都：成都理工大学，2018.
[11] 叶益信，杜家明，薛海军，等.高密度电法与音频大地电磁法在城市输水隧洞勘察中的应用[J].地球科学与环境学报，2020，42（6）：767-775.
[12] 陈松，庞凯旋，陈长敬，等.基于音频大地电磁测深和高密度电法的城市隐伏断裂联合探测[J].工程地球物理学报，2020，17（4）：470-477.
关键词：破碎带 高密度电法 铁路工程 隧道 地质勘察
中图分类号：U452.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0012-03
Application of High Density Electrical Method in Railway Tunnel Investigation
DONG Tao
（China Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd.， Shanghai， 200070 China）
Abstract： In mountain railway tunnel engineering， fault fracture zone has a great impact on railway design， which also puts forward more strict requirements for design specialty. Therefore， it is important and necessary to accurately find out the depth and scope of fracture zone. However， conventional exploration methods are expensive and time-consuming， which is not suitable for large-scale mountain survey. Therefore， it is very important to select the appropriate geophysical prospecting means. High density resistivity method is a geophysical method based on the difference of resistivity between different media such as soil， water， rock and ore. It is used to find out the underground geological structure and find the underground inhomogeneous electrical body. High density electrical method has the advantages of large amount of data acquisition and high precision of data observation， so it has good detection effect in identifying underground fracture zone. This paper introduces the application effect of high density electrical method in the investigation of broken zone of a railway tunnel in Anqing city.
Key Words： Fracture zone; High density electrical method; Railway engineering; Tunnel; Geological survey
在鐵路工程实践中，地下普遍存在着诸多影响地基稳定的不良地质现象。由于铁路是线状工程，因此经常会遭遇断层破碎带这一不良地质现象。这种不良地质现象会给铁路路线的合理布局、工程设计和施工带来困难，由于断层破碎带深埋地下，一旦断层发生活动，会对建筑物的稳定和正常使用造成危害[1]。目前铁路工程中常用于断层破碎带探测的地球物理方法主要包括高密度电法、地震映像法、瞬变电磁法等方法[2-4]。高密度电法在进行野外数据采集时，电极布设一次完成，采集数据后即可对剖面进行数据观测。该方法所测得的测点数量大、所获得的电性信息丰富、探测的精度较高、工作效率高。通过自动控制转换装置可以对断面进行自动观测和记录，同时由于数据包含了丰富的地电信息，能较直观地反映出断面电性异常体的形态、产状等特征[5]。刘猛等研究了高密度电法在探测断层破碎带等方向的应用，结果表明效果较好[5-7]。根据前人的实践证明，高密度电阻率法是查明断层破碎带的一种有效手段[7]。本文以实际安庆市某铁路工程隧道为案例，通过高密度电法有效判定了断层破碎带的位置，为工程设计和施工提供了依据。
1 工程地质与地球物理条件
本工程位于安徽省安庆市，隧道穿越构造中山区，地势高低起伏，山峰与山间冲沟及谷地相间分布，局部地势落差较大，地面高程一般在300～1260m之间，隧道最大埋深750m。表层为第四系全新统耕植土，进出口及丘谷地带分布有上更新统的碎石土;下伏基岩岩性主要为前震旦系大别山群水竹河组斜长片麻岩，大别山群英山沟组二长片麻岩，大别山群斜长片麻岩。 根据经验统计和工区地球物理反演结果分析：断层破碎带的反演电阻率范围为800～1500Ω·m;节理裂隙较发育片麻岩的反演电阻率范围为1500～3000Ω·m;片麻岩的反演电阻率范围为3000～5000Ω·m。断层破碎带与片麻岩之间存在一定的电性差异，因此工区具备开展高密度电法的地球物理勘探前提条件。
2 方法原理
2.1 高密度电法原理
高密度电法是一种阵列式电阻率测量方法，它以导电性为基础，通过观测分析电场分布变化的规律为解决地质问题提供依据，其基本原理与传统的直流电阻率法相同[8]。在查找断层破碎带方面，其电阻率较围岩往往相差较大，电性异常反映明显，该法能够取得较好的地质勘查效果[9]。
2.2 使用仪器
高密度电阻率法测量仪器使用重庆地质仪器厂生产的DUK-2A高密度电法测量系统，野外数据采集采用温纳装置[10]。本次勘探电极间距8m，最大隔离系数为30。野外数据采集时保证电极接地电阻小于1000Ω，采用大电流供电，确保野外数据质量[11]。
3 资料解译与推断
3.1 数据处理
数据采集过程中，由于个别电极接触不好或其它各方面的干扰，会使数据出现一些异常突变点，进而造成电阻率反演图的显示异常，难以对其进行准确解译，因此必须剔除数据断面中的虚假点或突变点。同时在数据采集过程中，可能会受到一些随机噪声的影响，因此需要对数据进行后期检查并采用数据滑动平均方法进行处理[12]。高密度电法主要采集的参数为视电阻率，绘制成果图为高密度视电阻率等值线图。通过研究等值线断面图的电性特征推断层破碎带的空间位置。
3.2 剖面解译与钻孔验证
为了验证此次高密电法资料解译的可靠性，在物探解译为断层破碎带的位置布置了钻孔1个进行验证。
3.2.1 解译成果
從图1可见，隧道洞身两侧0～460m和820～1200m段电阻率值由两侧向内部逐渐降低，范围值约1500～5000Ω·m;460～820m段电阻率较两侧相比显著降低，电阻率值约为800～1500Ω·m，电阻率等值线呈向下延伸低阻条带，整体显示电性各向异性明显，分析该段地层受构造作用影响强烈，为断层破碎带，岩体破碎、富水。
3.2.2 钻孔验证
在图1中600m位置处布置了一个钻孔，钻孔资料显示，0～12.0m为全风化斜长片麻岩;12.0～38.0m为断层破碎带;38.0～90.0m为弱风化斜长片麻岩，节理裂隙较发育;90.0～121.5m为断层破碎带;121.5～136.0m为弱风化斜长片麻岩，节理裂隙较发育。见图2，结果表明与物探解译成果相符。
4 结语
在断层破碎带探测过程中，运用高密度电法，对断层破碎带的准确位置、断层带宽度以及延伸，断层带岩体的破碎程度以及富水状况进行了探测。并通过钻孔进行了验证，验证结果与解译成果相符。高密度电法成果解译图可形象地反映出所探测体的电性分布形态和结构特征，可以较为准确地推断出断层破碎带位置、埋深等参数，与钻探结合使用，可以大大减少钻探工作量。该法解译的破碎带深度与钻探揭露的深度虽然有一定差异，但总体上是比较准的，证明了高密度电法在断层破碎带方面是有效可行的。
参考文献
[1] 李天雨.综合地质勘察在贵广线三都隧道中的应用[D].成都：西南交通大学，2018.
[2] 张文鑫.AMT在山区隧道地质勘察中的研究与应用[D].成都：成都理工大学，2019.
[3] 郑龙金，罗海权，邹磊，等.综合物探法在浙西地区拟建隧道地质勘察中的应用研究[J].物探化探计算技术，2020（5）：678-683.
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[5] 刘猛，徐健楠，汤斌峰.高密度电法在城市轨道交通工程隐伏断层探测中的应用[J].铁道勘察，2016（5）：78-80.
[6] 龚旭亚，涂运中.多种勘察技术在马峦山隧道断层勘察中的应用[J].城市勘测，2018（4）：164-169.
[7] 周琛杰.高密度电法与AMT在断裂构造调查中的综合应用[J].工程地球物理学报，2017（3）：300-307.
[8] 余长恒，张旭林，王强，等.高密度电法在岩溶勘查中的参数试验——以四川南部宜宾市长宁页岩气开发区为例[J].矿产勘查，2020，11（9）：1986-1992.
[9] 林士宝，吴荣新，胡富彭，等.高密度电法对地形起伏条件下的岩溶发育探测研究[J].工程地球物理学报，2020，17（4）：478-483.
[10] 杨力.高密度电法和地震映像法在岩溶勘察中的应用研究[D].成都：成都理工大学，2018.
[11] 叶益信，杜家明，薛海军，等.高密度电法与音频大地电磁法在城市输水隧洞勘察中的应用[J].地球科学与环境学报，2020，42（6）：767-775.
[12] 陈松，庞凯旋，陈长敬，等.基于音频大地电磁测深和高密度电法的城市隐伏断裂联合探测[J].工程地球物理学报，2020，17（4）：470-477.