高密度電法在廢棄地鐵探測中的應用

王牧+陳軍+李瓊濤

【摘 要】地下空間的開發過程中，要盡量避開地下已建成的建筑物和市政設施，然而由于各種原因造成地下已建成的建筑物、市政設施等具體位置不明確，形成地下空間開發過程中的障礙物，為設計和施工造成不利影響。高密度電法具有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便等特點，可以很好地解決這些地下障礙物問題。在地下人防邊界定位等地下空間開發項目中，選用了高密度電法探測廢棄地鐵線路等障礙物，其探測結果與調研到的資料基本一致，探測效果十分明顯。這說明高密度電法可用于地下空間開發過程中的地下構筑物探測，探測結果能為設計和施工提供參考依據。

【Abstract】 In the process of the development of underground space， it is necessary to try to avoid the underground buildings and municipal facilities. However， due to the various reasons， the specific location of the underground buildings and municipal facilities is not clear，forms the obstacles in the process of underground space development，which has a negative impact on design and construction.High-density resistivity method has the characters such as low cost， high efficiency， rich information， convenient explanation， which can solve the problems of the underground obstacles. In the underground space development project， such as underground civil air defense boundary location， the high density resistivity method is used to detect the obstacles such as the abandoned subway lines， and the detection results are basically the same as the survey data， and the detection effect is very obvious. It shows that the high-density resistivity method can be used to detect underground structures in the process of underground space development，and the detection results can provide reference for design and construction.

【關鍵詞】高密度電法；地下空間開發；障礙物；廢棄地鐵

【Keywords】high-density resistivity method；underground space evelopment；obstacles；abandoned subway

【中圖分類號】P631 【文獻標志碼】B 【文章編號】1673-1069（2017）04-0132-03

1 引言

城市的地下空間開放由來已久，從“文革”以前的人民防空到現在的地下人防、車庫、下立交及隧道、地鐵等，這些開發在防空、提高空間利用率、降低環境污染、緩解交通擁堵壓力等方面起到了一定的作用。然而隨著城市化建設的步伐加快，城市日新月異，許許多多原有的地下建筑物、市政設施等由于各種原因造成具體位置不明確，形成為城市建設過程中的障礙物，對設計和施工造成不利影響。

高密度電法在水利水電、環境工程地質、工程地質勘察、城市工程物探、工程質量檢測等工程領域應用廣泛[1-4]，是地下空間開發項目首選的物探方法之一。論文從地下人防邊界定位項目出發，探討了高密度電法在探測廢棄地鐵線路方面的應用，探測結果與調研到的資料基本一致，效果十分明顯。從而說明高密度電法可用于地下空間開發過程中的地下構筑物探測，并且探測結果能夠為設計和施工提供參考依據。

2 高密度電法原理

直流高密度電阻率法簡稱為高密度電法，其勘探基本原理是以目標體與巖石、土層等目標圍巖之間存在電阻率差異為基礎，通過人工在地下建立穩定電流場，在地表觀測電位差和供電電流，計算出視電阻率，以此達到研究地下電流傳導規律的一種電法勘探方法[5]。這與常規電阻率法相同。相對于常規電阻率法而言，高密度電法具有如下優點：一次性完成電極不舍，防止因電極設置而引起的故障和干擾；可采用多種電極排列方式測量，獲取豐富的地電斷面結構特征信息；徹底地拋棄了視電阻率的概念，將所測得的大量數據利用現代的反演技術直接反演成真電阻率剖面圖，具有成本低、效率高，信息量豐富，解釋能力方面顯著提高。

野外測量時將全部電極（工程物探上一般是60根或120根）置于觀測剖面的各測點上，然后利用程控電極轉換開關控制各電極在測量電極和供電電極之間轉換，用微機快速自動采集數據，將測量數據處理后可得到相關地電斷面分布圖。

供電電極是向地下提供電流I，測量電極是測量兩電極之間的電位差ΔU，視電阻率ρs由以下公式計算：

式中，K為裝置系數。

高密度電法有十幾種測量排列裝置，如溫納裝置（Winner）、施倫貝爾裝置（Schlumberger）等，這些排列裝置都是從對稱四極、偶極—偶極、單極—偶極、單極—單極演變而來的，排列裝置不同其跑極方式和裝置系數均不同。

高密度電阻率法測量所得的視電阻率地電斷面精確解釋地質現象，需要通過反演得到更為精確的地電斷面分布圖[6]。常用的高密度電法二維反演程序是采用基于平滑約束的最小二乘反演方法，其優點是阻尼系數和平面過濾器能隨著數據類型而調整。基于平滑約束的最小二乘反演方法是假定二維電阻率反演所使用的模型由大量電阻率為常數的矩形單元組成，利用平滑約束最小二乘反演方法可以計算每一體元的電阻率，并使得計算的理論值與實測視電阻率值之殘差達到最小。其公式是：

其中，J為偏導數雅可比矩陣，C為二維平滑系數，λ為阻尼系數，d為模型參數修改矢量，g為殘差矢量。

3 現場工作布置

本項目為地塊商業開發項目，擬建地下人防（地下車庫），但在其紅線范圍內存在一段廢棄的地鐵線路，廢棄地鐵的位置及埋深影響著地下人防建設。該地塊近似三角形，長約170m，寬約120m，周圍為道路及其他基礎設施。廢棄地鐵隧道應該為空體，為高電阻物體，周邊土層為粘性土，為低電阻物體。兩者的電阻差異明顯，這符合高密度電法探測的地球物理前提。

由于已知廢棄地鐵的大致位置位于場地偏西，受到場地大小、場地內試樁施工及周邊設施限制，本次探測布設3條測線，測線近似南北方向布置，與已知地鐵走向斜交，均采用溫納裝置。所有測線均布設60個電極，其中測線一和測線三的電極距為3.0m，測線二的電極距為2.0m。測線的具體布置見圖1。

由于探測前一周均在下雨，地面較泥濘，接地電阻均較低。但是在靠近西側道路有一段混凝土地面，電極盡量大在混凝土上覆蓋的較厚泥土區，無覆蓋泥土區測線稍偏移，如測線二。在探測過程中，用GPS將每個電極的平面坐標定位出來，以便于后續確定異常位置，圖1中測線上的點即為實測位置。

4 資料分析

根據實測結果，采用軟件Res2dinv進行反演，反演結果見圖2。從圖2（a）中可以看出，在測線距離69～78m范圍內有明顯的低阻現象，其中心深度約9m。從圖2（b）中可以看出，在測線距離81～87m范圍內有明顯的低阻現象，其中心深度約8m。從圖2（c）中可以看出，在測線距離82～88m范圍內有明顯的低阻現象，其中心深度約6.5m。這三處異常的中心位置電極位于已知地鐵線路上。對測線三上的異常，現場進行鉆孔驗證，鉆孔到深度6m左右無法鉆下去，而地鐵的直徑約6m，這說明該異常是真實的反應。但是讓人不解的是廢棄的地鐵應該是空的，應該呈現高阻現象，而實測的結果卻是呈現低阻現象，猜測該段廢棄地鐵已封閉，內部全為積水。

5 結論

從上述兩個應用實例可以看出：

①在地下空間開發的過程中，應用高密度電法探測地下既有建筑物和市政設施，效果十分明顯。說明高密度電法可用于地下空間開發過程中的地下構筑物探測，并且探測結果能夠為設計和施工提供參考依據。

②對既有的地下建筑物和市政設施的物探探測，對探測目標的相關資料收集是十分必要的，這有助于對物探現象分析和解釋。

③城市中的高密度電法受場地影響嚴重，往往不能直接布線于目標區域，需要在目標區域外探測，并依據收集的資料確定目標區域的目標體分布情況。

④在地表有積水的情況下，高密度探測大片淺埋的低阻體時，可以很好地確定低阻體的邊界位置，但無法確定低阻體的埋深，并且對低阻體下部的情況產生影響，使得無法確定更深地質體的情況。

⑤在地下空間開發力度越來越大的今天，對于這種老而資料不全的地下構筑物探測是十分必要的。這些構筑物的電阻率與周邊介質存在較大差異，采用高密度電法可很好解決此類問題。

【參考文獻】

【1】李富，劉樹才，曹軍，等.高密度電阻率法在工程勘察中的應用[J].工程地球物理學報， 2006，3（2）：119-124.

【2】樊耀武，王啟軍，胡延林，等.高密度電阻率法在工程勘察中的應用[J].鐵道工程學報， 2009，131（8）：31-33.

【3】張光保.褚家營巨型滑坡的高密度電法勘察及效果分析[J].地球物理學進展，2012，27（6）：2716-2721.

【4】楊海，葛良全，羅耀耀，等.高密度電法在茶園溝填埋場選址中的應用[J].地球物理學進展，2014，29（1）：0447-0451.

【5】董浩斌，王傳雷.高密度電法的發展與應用[J].地學前緣，2003，10（1）：171-176.

【6】陳軍，楊川，陳澤元.地下隱蔽水庫的高密度電法探測研究[J].地球物理學進展，2015，30（2）：0934-0939.