工程岩体质量评价对硬岩地区工程规划设计是必不可少的，岩体质量评价依赖于岩体完整性系数（KV）、弹性模量（E）、RQD、岩体体积节理数（JV）等参数的获取。这些指标通常由钻探等方式获取，耗时费力，且为不连续的低维点数据，难以覆盖整个研究区块。相比钻探，地球物理方法可以快速、低成本地得到上述岩体质量评价指标。不少研究人员基于地球物理参数与岩石力学参数之间相关性，利用地球物理方法开展工程地质调查、场地评价等研究。

近些年来，电阻率层析成像(Electric Resistivity Tomography, ERT)方法得到广泛应用，其具有一次完成电极布设，采集数据量大、工作效率高，能直观、准确地反映地下电性异常特征等优点。ERT在浅表地层有着不错的效果，基于ERT与传统钻探数据的参数联系来建立岩体多维参数剖面，对分析岩体质量有着重要意义，但这在以往研究中并不多见。此外， ERT方法得到的粘土层和水的电阻率数据都表现为低阻，差别不大，难以进一步甄别，为参数分析带来不确定性。而激发极化法（Induced Polarization, IP）等其它地球物理方法可以弥补这一不足（Marescot et al., 2008）。中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室的博士后Hasan与合作导师尚彦军研究员等运用地球物理联合反演方法，基于ERT结果与钻孔数据关联，建立完整性系数（KV）和电阻率（ρ）间方程，提出评价岩体质量多维模型。

研究区位于广东省惠东县重离子加速器和核嬗变大装置规划区。山脊走向北东东，岩性以火山岩为主。从2012年开始工程勘察工作。在近2 km2的项目区域的中部布设了5个ERT/IP测线（剖面1-5）；为覆盖整个场地，又增设了5个ERT/IP测线(剖面A-E)。最大探测深度约为100 m（图1）。

图1 山脊场地物探线布设

首先，采用ERT方法测量工程岩体的电阻率，再在相同剖面采用直流激发极化法（时间域法），分析粘土和水的分布情况。粘土、石墨和硫化物具有很高的极化率，高极化率表示粘土层，低极化率表示水。该方法还可发现低极化率的饱和裂缝或断层。然后，分析地球物理剖面重要点的钻孔数据，研究中使用KV作为评价指标；接着，建立钻孔获得的KV和ERT反演电阻率之间的函数关系，主要利用研究区内5个钻孔获取的KV数据（每一个钻孔在5~40m深度范围测得7个KV值，共35个KV值），与钻孔附近ERT测量点的反演电阻率（共5组，每组在对应深度共取7个值）拟合（图2）。为减少误差，针对不同类型岩体分别给出拟合公式：

(1)电阻率在400 Ω·m以下的全/强风化岩体：

(2)电阻率在400～1000Ω·m间的中风化岩体：

（3）电阻率大于1000 Ω·m的弱/微风化岩体：

图2 岩体完整性系数KV与视电阻率ρ的统计关系曲线

最后，基于ERT数据确定整个研究区的KV值，沿着10条ERT剖面(深度达100m)，计算1190个ERT数据点不同深度的KV值（图3），得到超过20000个不同点的KV值。然后以二维或三维剖面的形式表现整个研究的KV分布情况，并基于KV给出研究区岩体质量评价。

图3 基于P1-102 ERT点和B-2钻孔数据拟合得到的P1剖面KV二维分布图

结合ERT、现场调查、钻孔数据和岩性记录，发现场地岩体可分为以下三种类型：上层为全/强风化层，电阻率<400 Ω·m,KV为0~0.35；底层为弱/微风化层或新鲜岩石，电阻率>1000 Ω·m,KV为0.55~1；中间层为中风化层，介于高度破碎和微风化层之间，电阻率在400~1000Ω·m，KV为0.35~0.55。KV随深度增加而增大，底部以高KV值为主，地表以低KV值为主（图4）。以上结果表明底层岩体质量高，顶层为强风化岩体，岩体质量较差（图5）。此外，地表还存在几个小范围的微风化岩体，呈突出状。

图4 场地不同深度KV分布情况（在色带上，KV值从左到右递增。（a）：KV三维模型的外部视角；（b）：KV三维模型的内部视角；（c）：0～100m深度范围内KV变化情况；（d）：地下岩体KV分布变化情况）

图5. 场地不同深度岩体质量分布情况（在色带上，KV值从左到右递增；高度破碎的岩体为棕色，中风化的岩体为黄色，弱/微风化或新鲜的岩体为绿色。（a）：岩石质量分布三维模型的外部视角；（b）：岩石质量分布三维模型的内部视角；（c）：0～100m深度范围内岩石质量分布变化情况；（d）：地下岩体质量分布变化情况）

IP测量结果显示，粘土的电阻率<1000Ω·m，充电率>70ms；风化岩体中的水分的电阻率<1000Ω·m，充电率＜10ms。试验结果表明，场地表面约40%被粘土层覆盖，100m深部区域无粘土分布，粘土含量随深度减小；粘土主要分布在地表附近，平均深度为17m（图6）。

该研究将岩体质量评价由一维钻孔推向了三维空间，呈现了三维数字化，为工程规划设计提供量化依据。

图 6. 场地地下充电率分布情况（充电率值在色带上从左到右递增。（a）：IP三维模型的外部视角；（b）：IP三维模型的内部视角；（c）：0～100m深度范围内充电率分布变化情况；（d）：地下岩体充电率分布情况）

研究成果发表于国际学术期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering。(Muhammad Hasan^*, 尚彦军^*, 伊学涛, 邵鹏, 孟和. Determination of rock mass integrity coefficient using a non-invasive geophysical approach[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2022, DOI:10.1016/j.jrmge.2022.07.008)。研究得到中国科学院地质与地球物理研究所国际博士后奖学金项目（2020PD01）、国家自然科学基金（41772320）和第二次青藏科考（2019QZKK0904）联合资助。

美编：陈菲菲

校对：万鹏