跨孔超高密度電阻率法在城市中的應(yīng)用

跨孔超高密度電阻率法在城市中的應(yīng)用

0隧道孤石探測的地質(zhì)意義預(yù)制隧道施工自動化、工作效率高、施工能力強、施工面積小、破壞地面文化景觀和自然景觀。是城市軌道交通領(lǐng)域最常用的施工方法之一?；◢弾r地區(qū)由于風(fēng)化不均勻,在其全、強風(fēng)化殘積層中發(fā)育有未風(fēng)化或輕微風(fēng)化球狀體(即:孤石),其硬度、抗壓強度等項物理力學(xué)指標(biāo)優(yōu)良,其大小、規(guī)模、分布隨機且隱蔽。孤石的存在嚴(yán)重影響隧道盾構(gòu)法施工,如盾構(gòu)過程中遇到孤石,盾構(gòu)機刀盤嚴(yán)重磨損甚至損壞,使其推進困難,后期處理經(jīng)濟投入大,處理工期長。如果能在盾構(gòu)機通過之前查明孤石分布范圍,提前清除孤石障礙,可確保工程順利進行,減少不必要的損失,因此在花崗巖地區(qū)研究孤石的探測技術(shù)很有必要。分析孤石與圍巖介質(zhì)的電阻率特征,全、強風(fēng)化花崗巖殘積層由裂隙水充填,電法勘探中視電阻率表現(xiàn)非常低,而孤石無節(jié)理裂隙發(fā)育,視電阻率較高。較大的電阻率差異,為孤石的超高密度電阻率法勘探提供良好的物性基礎(chǔ)。此次針對實際地質(zhì)模型設(shè)計不同的跨孔勘探方案,旨在驗證該方法在特定地區(qū)對孤石分布范圍勘探的準(zhǔn)確度,總結(jié)勘探經(jīng)驗為以后類似工程勘探提供方案設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求。1高效電法勘探精度超高密度電阻率法是高密度電阻率法的一種技術(shù)改進,其方法原理同高密度電阻率法,都以介質(zhì)電性差異為應(yīng)用基礎(chǔ),通過研究與電性有關(guān)的人工直流電場分布規(guī)律,達到勘探地質(zhì)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)資源的地球物理勘探方法。高密度電阻率法綜合利用常規(guī)電阻率法幾種不同裝置聯(lián)合勘探,豐富對勘探目標(biāo)體的觀測方式,通過一次布極,計算機程序化控制電極變換,優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方式,從本質(zhì)上提高了電法勘探精度和工作效率;但現(xiàn)有高密度電阻率法采集系統(tǒng),受裝置程式化模式限制,未能充分利用電極陣的優(yōu)點,往往只測一種或幾種裝置,電極利用率低,采集數(shù)據(jù)量有限,數(shù)據(jù)處理未能實現(xiàn)真正聯(lián)合反演,從而勘探精度有限[6~7];超高密度電阻率法打破常規(guī)高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集模式,對布設(shè)電極全組合采集數(shù)據(jù),包括傳統(tǒng)裝置和非對稱新型裝置,綜合利用多通道、自動化和智能化技術(shù),大大提高數(shù)據(jù)采集量,彌補了高密度電阻率法勘探數(shù)據(jù)采集量不足和裝置類型不全面性[8~9];數(shù)據(jù)處理采用現(xiàn)代化2.5維電法反演技術(shù)。由于采集的數(shù)據(jù)裝置類型豐富、數(shù)量大,通過聯(lián)合反演一方面加大了對異常體的觀測次數(shù)和觀測角度,消除隨機干擾造成的誤差,另一方面勘探區(qū)域有限元網(wǎng)格剖分可以足夠小,提高對異常體的分辨率。1.1高效能同時測量數(shù)據(jù)的采集和處理城市工程物探因受地表條件、金屬管線和居民工業(yè)用電等干擾,導(dǎo)致電法勘探精度降低,而井中物探優(yōu)點不但盡量避開這些干擾因素,且人工激發(fā)或自然地球物理場更接近勘探目的層,測量數(shù)據(jù)有效反映異常體信息,提高了原始數(shù)據(jù)信噪比,反演數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確,提高了勘探精度。本科研課題試驗擬采用跨孔觀測方式?？缈壮呙芏入娮杪史ㄊ窃趦摄@孔中分別放入一定數(shù)量的電極,觀測兩孔間電流、電壓數(shù)據(jù),通過反演獲得兩井間電阻率分布斷面圖,分析不同巖土介質(zhì)與電阻率之間的對應(yīng)關(guān)系,進行地質(zhì)信息解譯,進而達到工程勘探目的。參與采集的電極數(shù)和電極距由勘探精度和目標(biāo)體發(fā)育規(guī)模設(shè)定,電極通過多芯電纜連接至地面儀器,并連續(xù)編碼,兩孔電極形成孔間電極陣如圖1所示。數(shù)據(jù)采集時把電極陣分成偶數(shù)組和奇數(shù)組,供電電極奇—偶配對全組合,測量電極任意組合,電極變換過程如圖2所示:(1)確定供電電極AB:選定A為奇數(shù)組(1#,3#,5#……39#),B為偶數(shù)組(2#,4#,6#……40#);(2)固定電極A為1#電極,在偶數(shù)組變換B電極,順序從2#、4#、6#……40#,當(dāng)B電極選定后,在AB附近(最好在AB間的中部)選定一接地條件良好電極作為M極,剩余電極作為N極,組成多個MN測量電極同時進行數(shù)據(jù)采集;(3)變換A為3#電極,電極B和測量電極MN選定方式同(2);(4)繼續(xù)在奇數(shù)組遞增A極,直至奇數(shù)組最大,每次變換后按照(2)步測量。超高密度電阻率法系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和處理方面本質(zhì)上優(yōu)于常規(guī)高密度電阻率法,采集過程自動化程度高,儀器自動選定ABM三電極,記錄AB電場數(shù)據(jù)同時測量剩余電極N與M組合的電壓、電流值;由于采用多通道技術(shù),一次能采集61組數(shù)據(jù),每分鐘采集上千條數(shù)據(jù),采集速度非常快,大量豐富了對目標(biāo)體觀測數(shù)據(jù),結(jié)合成熟的電法反演技術(shù),無疑提高了電法勘探對異常體的分辨能力。目前廣泛應(yīng)用于溶洞、裂隙、埋藏物和巖層破碎帶勘探。1.2地下電阻率法隨著電子計算機發(fā)展和勘探技術(shù)不斷進步,正演和反演已成為一種必不可少的地球物理數(shù)據(jù)處理技術(shù)。已知電阻率的空間分布求電場分布的過程稱為正演,反之已知電場分布求地下電阻率分布的過程則稱為反演;反演方法在地球物理勘探中,發(fā)揮著越來越重要的作用,其結(jié)果可以直接反映地下介質(zhì)間物理特性(電阻率)差異;從國內(nèi)外電法勘探發(fā)展的趨勢來看,超高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理過程大致包括數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、網(wǎng)格剖分、正演、反演、反演結(jié)果成圖和地質(zhì)成果解譯。(1)2.5維電法正演基本方程式:式中:δ代表電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù));I代表電場強度;rc代表電流極的位置。通過解此方程可得到當(dāng)一個電流極在rc處時的電場強度分布狀況。(2)電法反演基本方程式:其中:Φd(m)=||Wd(d0-d(m))||2;Φm(m)=||Wm(m-m0)||2;m為電阻率;λ為平衡因子;d(m)為正演推算電場數(shù)據(jù);d0為實際測量電場數(shù)據(jù);m0為反演初始模型;Wd和Wm為加權(quán)因子,加權(quán)因子控制迭代過程中對模型的修正量,依實測數(shù)據(jù)信噪比高低取值,如信噪比較高時因子取0.1,較低時取0.02,一般取值范圍為0.005~0.2。超高密度電阻率法數(shù)據(jù)反演時,首先設(shè)定一個電阻率分布理論模型(和實際地下電阻率分布情況有些差異);其次用理論模型做正演推算,得出理論電阻率數(shù)值;再次計算實測電阻率數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間的差值;然后按照一定的算法把各個差值歸算到剖分的網(wǎng)格中去,以此校正設(shè)定的理論電阻率模型,得出一個新的理論電阻率分布模型;用新得出的理論模型再做正演推算,重復(fù)上述步驟,連續(xù)迭代直到理論模型統(tǒng)計校正值足夠小時停止,此時理論模型與實際電阻率分布已很接近,把這時的理論電阻率分布模型當(dāng)作最終反演結(jié)果。2物理模型的建立廣州東北部和南部地域廣泛分布花崗巖構(gòu)造地層,在其全、強風(fēng)化層中埋藏有大小不等、隨機分布的未經(jīng)風(fēng)化或輕微風(fēng)化的球狀風(fēng)化核。廣州軌道交通建設(shè)某站點初勘階段,經(jīng)鉆探揭露有一處孤石發(fā)育,本次試驗以此為物理模型。在已經(jīng)揭露的孤石周圍根據(jù)設(shè)計方案布置相應(yīng)的物探鉆孔。2.1地層質(zhì)及工質(zhì)體結(jié)構(gòu)試驗點概況如圖3所示,本次試驗點位處郊區(qū),居民建筑較少,無工業(yè)居民用電干擾,有管線干擾,但不嚴(yán)重。CK17為初勘鉆探孔,柱狀圖描述:0~2.6m為人工堆積的粘性土;2.6~7.0m為坡積而成的粉質(zhì)粘土;7.0~9.8m為花崗巖風(fēng)化殘積而成的砂質(zhì)粘性土,含少量石英質(zhì)粗、礫砂;9.8~12.2m為孤石,花崗巖微風(fēng)化體;12.2~16.5m為花崗巖風(fēng)化殘積而成的砂質(zhì)粘性土,含少量石英質(zhì)粗、礫砂;16.5~33.6m為全風(fēng)化、局部夾強風(fēng)化花崗巖;穩(wěn)定水位2.5m。試驗方案:在孤石揭露位置周圍如圖3所示布置WT01~WT03三個深度20m、WT04~WT06三個深度35m的物探鉆孔;首先進行10m孔間距(WT01~WT02)跨孔超高密度電阻率法勘探,確定在可行性孔間距內(nèi)跨孔超高密度電阻率法對孤石的勘探效果;依次加大勘探孔距至15m、20m、30m,分析跨孔超高密度電阻率法隨孔間距的增大勘探效果變化情況,同時驗證縱、橫向分辨率,為以后實際應(yīng)用提供物探方案設(shè)計依據(jù)。本次試驗實際完成4個跨孔超高密度電阻率剖面。2.2wt06剖面反演結(jié)果巖石是礦物集合體,常常含有一定孔隙水,其電阻率跟巖石骨架(礦物顆粒)、膠結(jié)物及孔隙流體相互作用有關(guān)。分析試驗點巖土層電阻率特點,富含孔隙水粘性土,電阻率非常低(1~55Ω·m),全、強風(fēng)化花崗巖殘積土或砂質(zhì)粘性土層導(dǎo)水性好,電阻率較低(<500Ω·m),微風(fēng)化花崗巖電阻率極高(6×102~6×103Ω·m),各巖土層存在較大電阻率差異,為資料的準(zhǔn)確解譯提供良好判別依據(jù)。按照超高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理流程對所做4個跨孔試驗剖面反演處理,其中WT04-WT06剖面孔深與孔間距比例不當(dāng),反演效果差,其余3個處理成果如圖4所示。剖面圖注:縱坐標(biāo)為電法勘探深度,橫坐標(biāo)為孔間距,CK17為揭露孤石發(fā)育的初勘鉆孔,黑色小點為電極實際位置。反演電阻率剖面解譯:WT01-WT02孔間距10m,鉆孔深度均為20m,從反演電阻率剖面分析,兩井中部,距離WT01鉆孔3~6m、深度10~15m有一電阻率高阻區(qū),與圍巖差異明顯,解釋為孤石發(fā)育位置,與CK17鉆探孔揭露孤石位置9.8~12.2m較為吻合;WT01-WT03孔間距15m,鉆孔深度均為20m,反演電阻率剖面分析,距離WT01鉆孔2~6m、深度9~15m有一電阻率高阻區(qū),解釋為孤石發(fā)育位置,與CK17鉆探孔揭露孤石位置和WT01-WT02勘探剖面解譯結(jié)果基本一致;WT04-WT05孔間距20m,鉆孔深度均為35m,反演電阻率剖面分析,距離WT04鉆孔11~15m、深度12~17m有一電阻率高阻區(qū),解釋為孤石發(fā)育位置,與上述剖面孤石解釋位置稍有偏差,WT04-WT06孔間距30m勘探結(jié)果不明顯。上述勘探成果在孔間距和孔深比例合適的情況下,勘探結(jié)果比較理想,隨著孔間距和孔深比例的增大,勘探精度逐漸減小,當(dāng)比例等于2.0時的WT01-WT02剖面,勘探目標(biāo)位于兩孔中間時效果比較好。試驗過程中為防止塌孔現(xiàn)象且保證電極位置,事先下了PVC套管,由于套管的存在可能影響了電流傳輸,測試過程中,電流值普遍偏小,野外采集現(xiàn)場WT04-WT06剖面因電流值較小甚至無法繼續(xù)采集,此試驗條件對最終結(jié)果分析產(chǎn)生了不利影響,實際工程應(yīng)用中PVC套管上建議打一些密集小孔,保證電流順利傳輸。3地質(zhì)構(gòu)造分析分析試驗成果,跨孔超高密度電阻率法對孤石發(fā)育范圍勘探卓有成效,孤石發(fā)育位置定性描述準(zhǔn)確,定量解釋存在偏差,但能