跨孔超高密度电阻率法在城市中的应用

跨孔超高密度电阻率法在城市中的应用

0隧道孤石探测的地质意义预制隧道施工自动化、工作效率高、施工能力强、施工面积小、破坏地面文化景观和自然景观。是城市轨道交通领域最常用的施工方法之一。花岗岩地区由于风化不均匀,在其全、强风化残积层中发育有未风化或轻微风化球状体(即:孤石),其硬度、抗压强度等项物理力学指标优良,其大小、规模、分布随机且隐蔽。孤石的存在严重影响隧道盾构法施工,如盾构过程中遇到孤石,盾构机刀盘严重磨损甚至损坏,使其推进困难,后期处理经济投入大,处理工期长。如果能在盾构机通过之前查明孤石分布范围,提前清除孤石障碍,可确保工程顺利进行,减少不必要的损失,因此在花岗岩地区研究孤石的探测技术很有必要。分析孤石与围岩介质的电阻率特征,全、强风化花岗岩残积层由裂隙水充填,电法勘探中视电阻率表现非常低,而孤石无节理裂隙发育,视电阻率较高。较大的电阻率差异,为孤石的超高密度电阻率法勘探提供良好的物性基础。此次针对实际地质模型设计不同的跨孔勘探方案,旨在验证该方法在特定地区对孤石分布范围勘探的准确度,总结勘探经验为以后类似工程勘探提供方案设计参数和技术要求。1高效电法勘探精度超高密度电阻率法是高密度电阻率法的一种技术改进,其方法原理同高密度电阻率法,都以介质电性差异为应用基础,通过研究与电性有关的人工直流电场分布规律,达到勘探地质构造和寻找矿产资源的地球物理勘探方法。高密度电阻率法综合利用常规电阻率法几种不同装置联合勘探,丰富对勘探目标体的观测方式,通过一次布极,计算机程序化控制电极变换,优化数据采集方式,从本质上提高了电法勘探精度和工作效率;但现有高密度电阻率法采集系统,受装置程式化模式限制,未能充分利用电极阵的优点,往往只测一种或几种装置,电极利用率低,采集数据量有限,数据处理未能实现真正联合反演,从而勘探精度有限[6~7];超高密度电阻率法打破常规高密度电阻率法数据采集模式,对布设电极全组合采集数据,包括传统装置和非对称新型装置,综合利用多通道、自动化和智能化技术,大大提高数据采集量,弥补了高密度电阻率法勘探数据采集量不足和装置类型不全面性[8~9];数据处理采用现代化2.5维电法反演技术。由于采集的数据装置类型丰富、数量大,通过联合反演一方面加大了对异常体的观测次数和观测角度,消除随机干扰造成的误差,另一方面勘探区域有限元网格剖分可以足够小,提高对异常体的分辨率。1.1高效能同时测量数据的采集和处理城市工程物探因受地表条件、金属管线和居民工业用电等干扰,导致电法勘探精度降低,而井中物探优点不但尽量避开这些干扰因素,且人工激发或自然地球物理场更接近勘探目的层,测量数据有效反映异常体信息,提高了原始数据信噪比,反演数据更准确,提高了勘探精度。本科研课题试验拟采用跨孔观测方式。跨孔超高密度电阻率法是在两钻孔中分别放入一定数量的电极,观测两孔间电流、电压数据,通过反演获得两井间电阻率分布断面图,分析不同岩土介质与电阻率之间的对应关系,进行地质信息解译,进而达到工程勘探目的。参与采集的电极数和电极距由勘探精度和目标体发育规模设定,电极通过多芯电缆连接至地面仪器,并连续编码,两孔电极形成孔间电极阵如图1所示。数据采集时把电极阵分成偶数组和奇数组,供电电极奇—偶配对全组合,测量电极任意组合,电极变换过程如图2所示:(1)确定供电电极AB:选定A为奇数组(1#,3#,5#……39#),B为偶数组(2#,4#,6#……40#);(2)固定电极A为1#电极,在偶数组变换B电极,顺序从2#、4#、6#……40#,当B电极选定后,在AB附近(最好在AB间的中部)选定一接地条件良好电极作为M极,剩余电极作为N极,组成多个MN测量电极同时进行数据采集;(3)变换A为3#电极,电极B和测量电极MN选定方式同(2);(4)继续在奇数组递增A极,直至奇数组最大,每次变换后按照(2)步测量。超高密度电阻率法系统在数据采集和处理方面本质上优于常规高密度电阻率法,采集过程自动化程度高,仪器自动选定ABM三电极,记录AB电场数据同时测量剩余电极N与M组合的电压、电流值;由于采用多通道技术,一次能采集61组数据,每分钟采集上千条数据,采集速度非常快,大量丰富了对目标体观测数据,结合成熟的电法反演技术,无疑提高了电法勘探对异常体的分辨能力。目前广泛应用于溶洞、裂隙、埋藏物和岩层破碎带勘探。1.2地下电阻率法随着电子计算机发展和勘探技术不断进步,正演和反演已成为一种必不可少的地球物理数据处理技术。已知电阻率的空间分布求电场分布的过程称为正演,反之已知电场分布求地下电阻率分布的过程则称为反演;反演方法在地球物理勘探中,发挥着越来越重要的作用,其结果可以直接反映地下介质间物理特性(电阻率)差异;从国内外电法勘探发展的趋势来看,超高密度电阻率法数据处理过程大致包括数据检查、数据预处理、网格剖分、正演、反演、反演结果成图和地质成果解译。(1)2.5维电法正演基本方程式:式中:δ代表电导率(电阻率的倒数);I代表电场强度;rc代表电流极的位置。通过解此方程可得到当一个电流极在rc处时的电场强度分布状况。(2)电法反演基本方程式:其中:Φd(m)=||Wd(d0-d(m))||2;Φm(m)=||Wm(m-m0)||2;m为电阻率;λ为平衡因子;d(m)为正演推算电场数据;d0为实际测量电场数据;m0为反演初始模型;Wd和Wm为加权因子,加权因子控制迭代过程中对模型的修正量,依实测数据信噪比高低取值,如信噪比较高时因子取0.1,较低时取0.02,一般取值范围为0.005~0.2。超高密度电阻率法数据反演时,首先设定一个电阻率分布理论模型(和实际地下电阻率分布情况有些差异);其次用理论模型做正演推算,得出理论电阻率数值;再次计算实测电阻率数据与理论数据之间的差值;然后按照一定的算法把各个差值归算到剖分的网格中去,以此校正设定的理论电阻率模型,得出一个新的理论电阻率分布模型;用新得出的理论模型再做正演推算,重复上述步骤,连续迭代直到理论模型统计校正值足够小时停止,此时理论模型与实际电阻率分布已很接近,把这时的理论电阻率分布模型当作最终反演结果。2物理模型的建立广州东北部和南部地域广泛分布花岗岩构造地层,在其全、强风化层中埋藏有大小不等、随机分布的未经风化或轻微风化的球状风化核。广州轨道交通建设某站点初勘阶段,经钻探揭露有一处孤石发育,本次试验以此为物理模型。在已经揭露的孤石周围根据设计方案布置相应的物探钻孔。2.1地层质及工质体结构试验点概况如图3所示,本次试验点位处郊区,居民建筑较少,无工业居民用电干扰,有管线干扰,但不严重。CK17为初勘钻探孔,柱状图描述:0~2.6m为人工堆积的粘性土;2.6~7.0m为坡积而成的粉质粘土;7.0~9.8m为花岗岩风化残积而成的砂质粘性土,含少量石英质粗、砾砂;9.8~12.2m为孤石,花岗岩微风化体;12.2~16.5m为花岗岩风化残积而成的砂质粘性土,含少量石英质粗、砾砂;16.5~33.6m为全风化、局部夹强风化花岗岩;稳定水位2.5m。试验方案:在孤石揭露位置周围如图3所示布置WT01~WT03三个深度20m、WT04~WT06三个深度35m的物探钻孔;首先进行10m孔间距(WT01~WT02)跨孔超高密度电阻率法勘探,确定在可行性孔间距内跨孔超高密度电阻率法对孤石的勘探效果;依次加大勘探孔距至15m、20m、30m,分析跨孔超高密度电阻率法随孔间距的增大勘探效果变化情况,同时验证纵、横向分辨率,为以后实际应用提供物探方案设计依据。本次试验实际完成4个跨孔超高密度电阻率剖面。2.2wt06剖面反演结果岩石是矿物集合体,常常含有一定孔隙水,其电阻率跟岩石骨架(矿物颗粒)、胶结物及孔隙流体相互作用有关。分析试验点岩土层电阻率特点,富含孔隙水粘性土,电阻率非常低(1~55Ω·m),全、强风化花岗岩残积土或砂质粘性土层导水性好,电阻率较低(<500Ω·m),微风化花岗岩电阻率极高(6×102~6×103Ω·m),各岩土层存在较大电阻率差异,为资料的准确解译提供良好判别依据。按照超高密度电阻率法数据处理流程对所做4个跨孔试验剖面反演处理,其中WT04-WT06剖面孔深与孔间距比例不当,反演效果差,其余3个处理成果如图4所示。剖面图注:纵坐标为电法勘探深度,横坐标为孔间距,CK17为揭露孤石发育的初勘钻孔,黑色小点为电极实际位置。反演电阻率剖面解译:WT01-WT02孔间距10m,钻孔深度均为20m,从反演电阻率剖面分析,两井中部,距离WT01钻孔3~6m、深度10~15m有一电阻率高阻区,与围岩差异明显,解释为孤石发育位置,与CK17钻探孔揭露孤石位置9.8~12.2m较为吻合;WT01-WT03孔间距15m,钻孔深度均为20m,反演电阻率剖面分析,距离WT01钻孔2~6m、深度9~15m有一电阻率高阻区,解释为孤石发育位置,与CK17钻探孔揭露孤石位置和WT01-WT02勘探剖面解译结果基本一致;WT04-WT05孔间距20m,钻孔深度均为35m,反演电阻率剖面分析,距离WT04钻孔11~15m、深度12~17m有一电阻率高阻区,解释为孤石发育位置,与上述剖面孤石解释位置稍有偏差,WT04-WT06孔间距30m勘探结果不明显。上述勘探成果在孔间距和孔深比例合适的情况下,勘探结果比较理想,随着孔间距和孔深比例的增大,勘探精度逐渐减小,当比例等于2.0时的WT01-WT02剖面,勘探目标位于两孔中间时效果比较好。试验过程中为防止塌孔现象且保证电极位置,事先下了PVC套管,由于套管的存在可能影响了电流传输,测试过程中,电流值普遍偏小,野外采集现场WT04-WT06剖面因电流值较小甚至无法继续采集,此试验条件对最终结果分析产生了不利影响,实际工程应用中PVC套管上建议打一些密集小孔,保证电流顺利传输。3地质构造分析分析试验成果,跨孔超高密度电阻率法对孤石发育范围勘探卓有成效,孤石发育位置定性描述准确,定量解释存在偏差,但能