孫宗龍，潘仕海，崔恒哲

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綜合物探方法在防空洞勘察中的應(yīng)用

孫宗龍1，潘仕海2，崔恒哲2

( 1.安徽省勘查技術(shù)院,安徽 合肥 230031;2.三亞建筑工程質(zhì)量檢測中心,海南 三亞 572000)

20世紀(jì)60年代修建的防空洞隨著歲月流逝年久失修，對現(xiàn)在的房屋等基礎(chǔ)建設(shè)的修建帶來了障礙。因此，探明區(qū)域內(nèi)防空洞的空間位置所在很有必要。介紹了高密度電法和地震面波法的原理、應(yīng)用及其特點(diǎn),并應(yīng)用高密度電法和地震面波法兩種方法對?？谑心车氐叵路揽斩催M(jìn)行勘察，取得了較好的地質(zhì)效果。實(shí)踐表明，綜合物探方法對地下防空洞的工程勘察效果較好。

高密度電法；地震面波；綜合物探；防空洞；工程勘察

( 1.GeologicalExplorationTechnologiesInstituteofAnhuiProvince,HefeiAnhui230031,China;2.SanyaConstructionEngineeringQualityandInspectionCenter,SanyaHainan572000,China)

1 引 言

由于歷史的原因，20世紀(jì)50～60年代，在許多地方建設(shè)了大量的地下防空洞?，F(xiàn)在這些防空洞有的基本廢棄無用，但廢棄的防空洞常常會引起路面塌陷或地面沉降。為此，采用有效物探方法進(jìn)行防空洞勘察，查明防空洞的埋深、大小和規(guī)模，對安全施工和建設(shè)具有重要的作用。

高密度電法、地震面波等多種物探方法在防空洞的探測中具有較好的效果。郭有勁[1]利用多種物探方法對喀什某地的防空洞進(jìn)行探查，取得了較好的效果；葛如冰等[2]利用高密度電阻率法在復(fù)雜防空洞探測中亦取得了好的應(yīng)用效果；朱翔鵬[3]等利用瑞雷面波法對某地防空洞的探測進(jìn)行了應(yīng)用研究；宋希利等[4]、孫宗龍等[5]利用高密度電阻率法在防空洞勘察中亦取得了好的應(yīng)用效果；付小明等[6]利用聲波CT在防空洞探測中的應(yīng)用，取得了較好的效果。

本文通過高密度電阻率法和地震面波法綜合物探方法對海口市某建筑物場地地下防空洞的探測實(shí)例，介紹了高密度電法和地震面波法的基本理論和野外工作方法、資料處理和解釋推斷，展示了綜合物探方法在防空洞勘察中的應(yīng)用效果。

2 高密度電法基本原理

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電法勘探方法。根據(jù)在施加電場作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況。高密度電阻率法的探測依據(jù)是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流，然后在M、N極間測量電位差ΔV。根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況， 從而可以劃分地層，確定地質(zhì)異常體位置等[3-5]。

高密度電阻率法主要有如下優(yōu)點(diǎn)：電極布設(shè)是一次完成，測量過程中無須更換電極；能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的參數(shù)測定，可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)的信息；數(shù)據(jù)的采集和收錄實(shí)現(xiàn)了自動化，數(shù)據(jù)采集速度快。

本次高密度電法工作中均對每根電極進(jìn)行挖坑澆水，以減小接地電阻。地面為水泥板測段，采用先在測點(diǎn)上堆放黏土并澆水，同時盡量加大供電電壓，以提高觀測精度[9,10]。

3 地震面波方法基本原理

面波法探測主要是利用瑞雷面波的兩種特性。一是瑞雷面波在不均勻介質(zhì)中傳播時的頻散特性；二是瑞雷面波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性。防空洞探測是在地面以瞬時沖擊力作震源激發(fā)面波，并沿直線接收、記錄，然后對所采集的面波波形進(jìn)行處理得到該點(diǎn)的頻散曲線。當(dāng)?shù)叵麓嬖诜揽斩磿r，在防空洞時程的相應(yīng)位置處便會出現(xiàn)速度陡降的現(xiàn)象[7,8]。

本次地震面波勘探野外施工中檢波點(diǎn)、炮點(diǎn)采用皮尺測量定位，特別注重檢波器的埋設(shè)，將上面松軟土、雜草挖除后插入檢波器，并保證與地面垂直牢固接觸；各排列觀測采取重炮疊加，以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；面波法以排列兩端點(diǎn)激發(fā)接收到折射波互換時差來衡量數(shù)據(jù)精度[10,11]，要求互換時差≤4 ms。

圖1 面波勘探原理示意圖Fig.1 The schematic map of surface wave exploration

4 工區(qū)概況

勘查場地位于?？谑薪鸨P工業(yè)區(qū)(圖2)，區(qū)內(nèi)擬新建A、B、C等住宅樓，為保證建筑場地基礎(chǔ)施工安全，要求查明場地及周邊地下防空洞的分布位置、范圍及埋深，為建筑物設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)施工提供物探資料。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，區(qū)內(nèi)分布2條隱藏防空洞，洞壁為玄武巖塊石筑建，拱形結(jié)構(gòu)，洞高、洞寬不詳，防空洞頂部埋深在0～3 m。根據(jù)現(xiàn)有資料可初步推斷該兩防空洞通過擬建的A、B住宅樓。

圖2 物探測線布置及解釋推斷平面Fig.2 Layout and interpretation of geophysical survey line

5 布線及參數(shù)選擇

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖、結(jié)合地形地物布設(shè)高密度電法測線，在A、B住宅樓及周邊共布置8條高密度電法測線，在已知防空洞、塌陷樓加布測線3條，為追蹤防空洞走向，加布SN向測線1條。地震面波勘探點(diǎn)的布設(shè)主要在高密度電法測量結(jié)果的異常處進(jìn)行布設(shè)。具體方法技術(shù)分述如下。

5.1 高密度電法勘探

具體參數(shù)選擇如下：

裝 置：溫納裝置α排列

觀測極數(shù)：60個

極 間 距：1 m

觀測剖面：16條

使用儀器：

本次物探工作采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-3型高密度電阻率測量系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如下：

WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀

接收部分：

電壓通道：±6V

測量精度：Vp≥10 mv時，±0.5% 1個字

Vp<10 mv時,±1% ±1個字

電流通道：5A

測量精度：Ip≥10 mA時，±0.5% ±1個字

Ip﹤10 mA時，±1% ±1個字

視極化率測量精度：±1% ±1個字

對50 Hz工頻干擾壓制優(yōu)于89 dB

輸入阻抗：≥50 MΩ

發(fā)射部分：最大供電電壓：900 V

最大供電電流：5 A

5.2 地震面波勘探

采用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)的CSA24道浮點(diǎn)地震儀，該儀器具瞬時浮點(diǎn)放大，A/D轉(zhuǎn)換21 bit，通頻帶0.2～5 000 Hz。

地震面波勘探方法具有靈活、快速的測試優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外地質(zhì)勘察領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別適宜于地質(zhì)層位劃分、人防洞、地基夯實(shí)效果檢測、滑坡體探測。當(dāng)?shù)匦纹露却蟆@機(jī)無法到位時和碎石土層無法準(zhǔn)確獲取標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)或土工試驗(yàn)成果時，一般采用地震面波法進(jìn)行勘察。

工作中采用道間距1 m、偏移距1 m、采樣率0.5 ms、檢波器4 Hz、接收道數(shù)12～24道進(jìn)行測試。

6 資料處理與解釋

高密度電法勘探的資料整理、計(jì)算、解釋、圖件繪制，貫穿于整個野外勘探工作的開始至結(jié)束的全過程。

高密度電法勘探資料處理流程大致如下：原始記錄→傳輸→編輯→格式轉(zhuǎn)換→刪除壞點(diǎn)→最小二乘反演→影像成圖→成果圖解釋推斷。

地震面波處理目前主要是對面波基階組分的頻散數(shù)據(jù)作出合理的數(shù)值反演。處理步驟：數(shù)據(jù)讀取→增益調(diào)整→體波切除→濾波→面波選取→頻率波數(shù)變換→頻散曲線的求取→正反演計(jì)算→顯示模型地層速度結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)處理分為時間距離、頻率波數(shù)、距離頻率、深度速度四個階段，逐步進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、基階組分提取、近道互相關(guān)疊加和初始模型參數(shù)確定并進(jìn)入自動反演。

現(xiàn)以4號測線和9號測線的高密度電法和該兩測線上的3個地震面波點(diǎn)資料為例，給出高密度電法資料處理與解釋結(jié)果，地震面波處理與解釋結(jié)果。

6.1 高密度電法結(jié)果與分析

4號測線實(shí)測視電阻率斷面圖及反演電阻率斷面如圖3所示。測點(diǎn)0～20之間兩層電性結(jié)構(gòu)分布完整，21～50點(diǎn)淺部電性層厚度減小、電阻率值降低，下部低阻層上拱，出現(xiàn)圓弧狀，弧頂為35號；51～115點(diǎn)淺部高阻層近似消失，顯示大范圍低阻電性層，表現(xiàn)為人為深開挖痕跡，解釋為該地段下方分布防空洞，推斷防空洞與測線斜交分布。

在54～65點(diǎn)淺部出現(xiàn)低阻異常帶，視電阻率為14.1～35.8 Ω·m，分別在56點(diǎn)、63點(diǎn)出現(xiàn)兩極小值，埋深約4 m，視電阻率為21.6 Ω·m、14.1 Ω·m，解釋為空洞積水坑。

淺部地層中在53點(diǎn)出現(xiàn)高低阻電性變化界面，對應(yīng)反演斷面中偏低阻一側(cè)均出現(xiàn)低阻帶狀異常。這種橫向電性變化界面反映地下地層巖性層分布突變或含水性的突變，一般均是地基不均勻沉降的界面。

9號線實(shí)測視電阻率斷面及反演電阻率斷面如圖4所示。測點(diǎn)0～80點(diǎn)之間分布高阻電性層，實(shí)測視電阻率為154～347 Ω·m，解釋地質(zhì)層連續(xù)完整分布；80～91點(diǎn)為電性層漸變段；92～106點(diǎn)下方實(shí)測低阻異常呈方形分布，并延伸至淺地表， 實(shí)測視電阻率為39～69 Ω·m，其中92點(diǎn)下方高低阻界面呈現(xiàn)垂向分布特性，解釋為當(dāng)時人工開挖洞壁。后經(jīng)基坑開挖揭露，防空洞南北走向，近似垂直9號線，洞頂在地面的垂向投影位置為99點(diǎn)，洞寬2 m，洞頂埋深2.8 m，洞壁局部出現(xiàn)塌陷。

圖3 4號測線高密度觀測視電阻率和反演電阻率斷面Fig.3 The observed apparent resistivity and inverted resistivity sections of line 4

圖4 9號測線高密度觀測視電阻率和反演電阻率斷面Fig.4 The observed apparent resistivity and inverted resistivity sections of line 9

對比分析可以看出，實(shí)測電阻率斷面異常反映為當(dāng)時人工開挖深坑痕跡，其異常規(guī)模較實(shí)際防空洞分布要大。

圖5 地震面波反演及頻散曲線Fig.5 The inversion of seismic surface wave and frequency dispersion map

6.2 地震面波結(jié)果與分析

41號面波點(diǎn)號位于高密度電法9號測線的100號測點(diǎn)，46和47號面波點(diǎn)號位于高密度電法4號測線的55號和67號測點(diǎn)處。從實(shí)測頻散曲線可以看出41點(diǎn)、46點(diǎn)、47點(diǎn)存在頻散曲線“倒鉤”異常，反演結(jié)果出現(xiàn)淺部的高地震面波速度夾層，解釋為地下防空洞形成，其中46點(diǎn)“倒鉤”異常最為明顯，見圖5。這與高密度電阻率觀測結(jié)果較為一致，結(jié)合高密度電阻率低阻異常分布，推斷以上測點(diǎn)下方分布防空洞，長約52 m，寬2 m，埋深約3 m。

經(jīng)鉆探驗(yàn)證及后續(xù)基礎(chǔ)開挖，高密度電法和地震面波點(diǎn)的異常確實(shí)為地下防空洞的反映。

7 結(jié) 論

1)本場地采用以高密度電法為主，地震面波方法進(jìn)行異常驗(yàn)證，較好地查明了擬建A、B住宅樓地下防空洞分布，為下一步大樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工提供了較準(zhǔn)確的物探資料。

2)通過塌陷樓斷面測試結(jié)果分析，得出建筑樓房外地下隱埋防空洞同樣會引起樓房的不均勻沉降、甚至塌陷，反演電阻率斷面顯示軟土體滑移帶位于防空洞與大樓間偏大樓一側(cè)，由此進(jìn)一步得出，當(dāng)反演斷面中存在一定規(guī)模的垂向低阻異常帶時，擬建建筑物均應(yīng)考慮土體的不均勻沉降！

3)綜合物探、鉆探資料，飯店前防空洞至3號測線43點(diǎn)，斜穿B住宅樓，探測控制長度46 m，解釋洞身高2 m，洞寬3 m，洞頂埋深0～1 m，防空洞走向北東8°。

[1]郭有勁.綜合物探方法在地下防空洞探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2009，6(S1):140-144.

[2]葛如冰,曹震峰,彭飛.高密度電阻率法在復(fù)雜防空洞探測中的應(yīng)用效果[J].工程地球物理學(xué)報,2009，6(5):620-623.

[3]朱翔鵬,張學(xué)強(qiáng),嚴(yán)哲.瑞雷波在探測地下防空洞的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報,2007，4(1):58-61.

[4]宋希利,宮述林,邢立亭.高密度電法在地下空洞探測中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報,2010，7(5):599-602.

[5]孫宗龍,潘仕海,崔恒哲.高密度電法在防空洞勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2016，13(4):449-452.

[6]付小明,閔征輝,余志奇.聲波CT在防空洞探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2015，12(1):106-110.

[7]王振東.面波勘探技術(shù)要點(diǎn)與最新進(jìn)展[J].物探與化探,2006，30(1):1-6.

[8]李凱.面波勘探技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用進(jìn)展[J].工程地球物理學(xué)報,2011，8(1):97-104.

[9]DZ/T0073-1993,電阻率剖面法技術(shù)規(guī)程[S].

[10]DL/T5010-2005,水電水利工程物探規(guī)程[S].

[11]JGJ/T143-2004,多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程[S].

The Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method to the Investigation of Air-raid Shelter

Sun Zonglong1， Pan Shihai2， Cui Hengzhe2

The construction of the air-raid shelters in 1960s has brought obstacles to houses infrastructure construction in these years. Therefore, it is necessary to find out the space position of the air-raid shelters in the area. In this paper, we introduce the principle, application and characteristics of high density resistivity method and seismic surface wave method. Two methods of high density electrical method and seismic surface wave method are used to investigate the underground air-raid shelters in Haikou city. The results show that the comprehensive geophysical prospecting method is better for the investigation of the air-raid shelters.

high density resistivity method; seismic surface wave; integrated geophysical prospecting; air-raid shelter; engineer exploration

1672—7940(2016)05—0672—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.019

孫宗龍(1962-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事地球物理勘查及地質(zhì)工程工作。E-mail:13825013313@163.com

P631

A

2016-08-28