綜合物探方法在地下防空洞探測中的應(yīng)用

盧建旗，張建民

（1.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080;2.饒河縣水務(wù)局，黑龍江饒河 155700）

1 概況

我國東北地區(qū)的地下小型防空洞埋藏深度在地下7～10 m，洞高一般在1～2 m，寬約1.2 m。規(guī)模較大的洞身用磚襯砌，還有一部分內(nèi)部無襯砌。這種小規(guī)模的防空洞在現(xiàn)今已經(jīng)被廢棄，修建防空洞的原始資料也無從查證。因此，地下防空洞是建筑地基的一大隱患。而探測地下防空洞，尤其是東北地區(qū)的防空洞一直是物探工作的一個(gè)難題。隨著探地雷達(dá)在普通單位的出現(xiàn)，很多物探工作者試圖利用這種高精度的探測儀器進(jìn)行地下防空洞的探測，但在東北地區(qū)，由于低液限黏土對電磁波的強(qiáng)吸收作用，使得探地雷達(dá)的探測深度受到很大的限制，難以達(dá)到預(yù)期的效果。眾所周知，建筑場地的地下防空洞探測是一項(xiàng)責(zé)任大、難度大、風(fēng)險(xiǎn)高的勘察工作，一旦出現(xiàn)遺漏，后果不堪設(shè)想。因此，我們一般采用多種手段進(jìn)行探測，同時(shí)對物探工作查明的所有異常進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。本文通過對哈爾濱市某建筑工地地基防空洞探測工作中已經(jīng)驗(yàn)證存在防空洞的物探物探測線中的異常進(jìn)行分析。總結(jié)了各種方法的異常特征，為今后的防空洞探測工作積累經(jīng)驗(yàn)[1]。

2 方法原理

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，都是以巖土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)來研究地層在人工施加穩(wěn)定電場的作用下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算巖土體視電阻率，通過研究地層的視電阻率變化來分析巖土層的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征。高密度電阻率法是集電剖面法和電測深優(yōu)點(diǎn)為一體的一種電阻率地學(xué)層析成像（Geotomography，簡稱GT）技術(shù)，其反演結(jié)果為二維視電阻率斷面。它具有數(shù)據(jù)密度大（點(diǎn)距密集）、信息量大、工作效率高的特點(diǎn)，能較直觀、準(zhǔn)確地反映被測地質(zhì)體的電性斷面特征[2]。

2.2 瞬態(tài)瑞雷法

瑞雷波地震勘探主要是利用瑞雷波的兩種特性：①瑞雷波在分層介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性;②瑞雷波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性[3]。

瑞雷波沿地表傳播，表層的厚度約為一個(gè)波長。因此，同一波長的瑞雷波的傳播特征反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特征反映著不同深度的地址情況。在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距Δx設(shè)置N+1個(gè)檢波器，就可以檢測到瑞雷波在NΔx長度范圍內(nèi)的傳播過程，設(shè)瑞雷波的頻率為fi，相鄰檢波器記錄的瑞雷波的時(shí)間差為Δt或相位差為Δφ，則相鄰道長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度計(jì)算公式為：

測量范圍NΔx內(nèi)平均波速計(jì)算公式為：

在同一地段測量出一系列頻率的VR值，就可以得到一條VR-f曲線，即所謂的頻散曲線或轉(zhuǎn)換為VR-λR曲線，λR為波長，其計(jì)算公式為：

VR-f曲線或VR-λR曲線變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系，通過對頻散曲線過行反演解釋，可得到地下某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度VR值。另一方面，VR值的大小與介質(zhì)的物理性質(zhì)特性有關(guān)，據(jù)此可對巖石的物理性質(zhì)做出評價(jià)。

2.3 地震映象法

地震映象法是利用人工激發(fā)的地震波在地下巖土介質(zhì)中的傳播規(guī)律，研究在小偏移距條件下不同介質(zhì)的反射波特性，揭示地下巖土體分布狀態(tài)的一種物探方法。采用固定偏移距進(jìn)行測量，根據(jù)地震記錄波形圖上觀測到直達(dá)波、面波、聲波、反射波等多種波的波形、頻率、振幅和同相軸的變化來判斷地下可能存在的異常體。

3 場地條件

工作區(qū)內(nèi)在深度0～20 m內(nèi)主要為低液限黏土及粉質(zhì)黏土。防空洞埋深一般在7～10 m，由于建筑基礎(chǔ)開挖深度約4 m，因此，本工區(qū)的防空洞頂面埋深在3.7m。見圖1。

圖1 地下防空洞埋深及規(guī)模示意圖

4 工程實(shí)例

本文通過哈爾濱市某建筑地基地下防空洞探測的工作實(shí)例，運(yùn)用已驗(yàn)證存在防空洞的物探測線進(jìn)行分析，總結(jié)防空洞異常在各種物探方法中的異常類型特征。

4.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法采用1 m電極距，60道電極。有效探測深度約9.8 m。高密度電阻率法采用溫納爾裝置，由于防空洞探測屬于低阻體中查找高阻異常，高阻體的電阻率與低阻圍巖的差別較小，只要防空洞內(nèi)部沒有被土或淤泥填充也會(huì)形成高阻圈閉，見圖2。

4.2 瞬態(tài)瑞雷波法

瑞雷波法地震勘探采用1 m偏移距，1 m道間距，6道采集;0.2 m測點(diǎn)間距。防空洞位置位于測線5 m處。從圖3可以看出，在測線4.5 m位置出現(xiàn)了主要異常，相對于7～11 m范圍瑞雷波速出現(xiàn)了有規(guī)律的升高。同時(shí)在0～3 m也出現(xiàn)了有規(guī)律的高速異常。這是由于第一個(gè)瑞雷波測點(diǎn)的排列尾道已經(jīng)達(dá)到了防空洞頂部的位置形成了一系列的高速異常，而當(dāng)震源遠(yuǎn)離防空洞位置以后再?zèng)]有出現(xiàn)高速異常。

4.3 地震映象法

地震映象法采用0.2 m測點(diǎn)間距，1 m偏移距，錘擊震源。詳見圖4。在防空洞頂部出現(xiàn)的異常形態(tài)為同相軸不連續(xù)，繞射增強(qiáng)的現(xiàn)象，同時(shí)在防空洞頂部地震波頻率升高。由于防空洞規(guī)模較小，不會(huì)出現(xiàn)類似拋物線形狀的反射波異常。

5 小結(jié)

對于東北地區(qū)的地下防空洞，由于其埋藏深、規(guī)模小、圍巖電阻率小，波速低等特點(diǎn)，對物探工作帶來很大的困難。運(yùn)用單一的方法很難得出確切的結(jié)論。對于地震映象法來說，由于錘擊震源產(chǎn)生的地震波頻率較低，而高頻成分受到黏土的強(qiáng)濾波作用而很快衰減，同時(shí)，面波成分以及橫波成分的強(qiáng)振幅也會(huì)掩蓋防空洞的反射波。很難得到理想的效果，尤其黏土的不均勻也會(huì)造成很多的反射波異常難以分辨。但在防空洞的兩側(cè)一般都會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的旁側(cè)反射（有磚拱條件）和地面沉降而形成同相軸下陷的現(xiàn)象。高密度電阻率法對空洞的異常反映較規(guī)則，但由于圍巖的電阻率較低，異常體的電阻率變化不是很大，如果有土體的不均勻以及防空洞被淤泥填充的情況也很難分辨。瑞雷波法在防空洞探測中是一種較好的方法，由于圍巖不均勻在波速上不會(huì)有太大的變化，對防空洞的波速異常反應(yīng)比較敏感。但這種方法的缺點(diǎn)是資料處理的工作量很大，排列長度會(huì)影響到異常體的范圍，因此也會(huì)出現(xiàn)假異常。

圖2 高密度色譜圖

圖3 瑞雷波速度等值線圖

圖4 地震映象波形剖面圖

[1]劉光鼎.地球物理引論[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[2]盧建旗，馬建國.多道面波勘探技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2005，33（1）：19-20.

[3]楊成林.瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1993.