高密度電法在地下洞室探測中的應用

邵東橋 李榮亮 郭一兵 尤志明

摘要：文物保護范圍內地下洞室的存在往往造成地面塌陷、滲水，古建筑地基不均勻沉降、墻體臺階開裂等病害，嚴重威脅文物建筑本體的保存和安全。本文以某地區古建筑地下洞室的勘察為工程實例，采用高密度電法無損勘測手段探查地下洞室的分布，并配合人工井探的方式進行證明，現場測試和井探結果表明：高密度電法無損勘測方法能夠快速有效的查明地下洞室的分布位置，該勘測手段符合文物保護的“最小干預原則”，為文物建筑的保護、地下巖土病害的治理提供了重要依據。

關鍵詞：高密度電法；地下洞室；無損勘測；文物保護

The Application of High-density Resistivity Method For Underground Caverns

Shao Dong-qiaoLi Rong-liangGuo Yi-bingYou Zhi-ming

Tird Institute geological and mineral exploration of Gansu provincial bureau of and mineral Resources Lanzhou 730050， China

Abstract： The existence of underground caverns within the scope of cultural relic protection often causes ground collapse， water seepage， uneven settlement of the heritage building foundation and cracks on the wall steps and other diseases， which seriously threaten the preservation and safety of the heritage building. In this paper， taking the investigation of underground caverns of the heritage buildings in a certain area as an engineering example， the distribution of underground caverns is explored by means of high-density electrical non-destructive survey， which is cooperated with the artificial well exploration， the result of test and well exploration show that the high-density electrical nondestructive resistivity method can quickly and effectively find out the distribution of underground caverns， which conforms to the"minimum intervention principle" of cultural relic protection， and provides an important basis for the protection of the heritage buildings and the treatment of underground geotechnical diseases.

Key words： High density method， Underground caverns， Nondestructive survey， Protection of cultural relics；

1.前言

文物保護范圍內出現地面塌陷，古建筑墻體臺階等產生裂縫，此類病害的出現與地下環境的變化密切相關，地下洞室的存在是造成該類病害的一個重要原因，嚴重威脅文物的安全保存，查明地下洞室的分布位置顯得尤為重要，但是地下洞室已發生過塌陷，無法直接進入測量位置走向，因此在地面采用高密度電法無損勘測手段非常適合地下洞室的探查，對于古建筑的保護具有重要意義。

高密度電法是淺層地球物理勘查的主要方法之一，在工程勘察、考古、礦產資源、地下找水等領域應用廣泛，鄭智杰[1]采用高密度電法圈定了地下巖溶裂隙帶的發育位置；馬伏生[2]采用高密度電法探明了地下防空洞的發育程度及位置；郭鐵柱[3]使用高密度電法勘查了水庫壩基滲漏，成功找到了滲漏的位置；王玉清[4]等在高層建筑選址工作中應用高密度電法，從環境地球物理角度對工程選址及地基處理提出了合理的建議；李水平[5]根據鋁土礦與圍巖的電阻率差異，部署了高密度電法，有效識別出賦存在古巖溶盆地中的層狀鋁土礦；秦始皇陵地宮的探測方法中采用高密度電法，有效地反映了墓區古河道范圍及古城墻墻基[6]；陳鵬飛[7]等采用高密度電法有效地探明了山西北宋莊龍母寺地下防空洞的分布位置。何滿潮[8]等通過采用高密度電法與改進的輕便取芯觸探的綜合探查方式實現了古代護城河的空間的準確定位，進一步驗證了該勘察方法具有許多傳統勘探方法無法比擬的優勢。

本文以某地區全國重點文物保護單位為例，采用高密度電法探查地下洞室的分布位置及其走向。該文物保護單位內在20世紀50年代挖掘地下防空洞，防空洞目前可進入段深20m，其余段被坍塌體封堵。目前地面出現坍陷、積水，古建筑墻體裂縫等病害，需進一步探明坍塌段防空洞的分布位置，為工程治理提供可靠的依據。

2.工程概況

研究區位于甘肅省天水市，場地地層0.5m范圍內為人工雜填土，含有磚塊等，下層為上更新統風積黃土，厚度約為15m～20m，為灰黃色，均質、疏松、具大孔隙。地下洞室目前可進入段深20m，其余段被坍塌體封堵。

3.高密度電法原理

3.1物理場特征分析

研究區內地層主要為人工填土和風積黃土，巖性均一，地下洞室內部空洞或填充為塌陷的松散土，一般無充水的情況下為高阻異常區，滲水情況下會導致其電阻率急劇降低，偏離其正常的范圍。

3.2測線布設

為保證本次電法勘查質量，在具體勘查中，根據工作要求，結合地形圖實地確定剖面位置和方向。工作中利用間隔為1m的測深布設剖面共60個電極，剖面布設完成后利用中海達實時動態差分全球定位系統（RTK）采集了每個點位的坐標數據，保證了測量精度。數據采集供電周期為2s，供電脈寬為0.3，有效的保證了野外數據質量；在剖面布置完成后，對所有電極進行逐點觀測和記錄。坐標系統采用國家2000坐標系；布線總長60m，電極道數60個，現場共布設兩條剖面，分別為WT1和WT2，本文僅就WT1進行分析（見圖1）。

4.物探成果解譯及驗證

4.1成果解譯

WT1測線走向為NE76°，WT1測線視電阻率值總體表現為中、低特征，視電阻值多在9Ω·m～130Ω·m之間。以27號電極為界，其西側總體表現低阻特征，僅1～15號電極淺部表現為沿水平呈層狀分布的中阻特征。27～60號電極間，地下0m～10m間總體表現為中阻特征，視電阻值多在50Ω·m～130Ω·m之間；地下10m～18m間總體表現為低阻特征，視電阻值多在0～50Ω·m之間（見圖2）。

依據剖面電性特征，27號電極處視電阻率等值線密集，有擠壓現象，其西為低阻特征，其東為中阻特征，推斷該處存在地質界線。27～60號電極間淺部呈中阻特征，推斷其因建筑基礎實施時地基夯實導致，推斷其深度為0～10m；地下10m～18m間總體表現為低阻特征。31號電極處，地下14m～16m間存在一個橢圓形低阻區，推斷該處為塌陷地下洞室位置，地下洞室內滲水嚴重，出現低阻異常區（見圖3）。

從地表來看，WT1剖面31號電極正處在三星殿南側塌陷洞室走向的北側，該處極有可能存在塌陷洞室，建議工程驗證（見圖3）。

4.2井探驗證

采用人工挖探井的方式驗證31號電極位置15m深處低阻異常區情況，對1號剖面31號電極處開挖探井，根據探井揭示在深度13.5m～15m深度處發現地下洞室塌陷區，地下洞室輪廓非常清晰可見，地下洞室高約1.5m，寬約1.5m。洞室內塌陷土體松軟，洞室以下部分土體堅硬潮濕，土體巖性為離石黃土，含水率高，和物探結果吻合。

5.結論

本文通過高密度電法無損勘測技術成功的探明了文物區地下洞室的分布位置，并輔以井探進行了驗證，通過本次勘察，得到以下結論：

（1）通過高密度電法查明了文物區地下洞室的分布位置和走向，地下洞室埋深為11.4m～15m，寬度為2m左右，該探測手段不干預文物本體，屬于無損檢測，非常適合于文物分布區地下洞室的探測。

（2）采用人工井探驗證了高密度電法解譯分析地下洞室位置的正確性，通過高密度電法配合井探準確的找到了地下洞室的位置。

參考文獻：

[1]鄭智杰，曾潔，甘伏平等.高密度電法在柳州太陽村鎮巖溶塌陷區調查中的應用研究[J].地質與勘探， 2017， 53（1）： 124-130.

[2]馬伏，劉繼光，嚴建民等.高密度電法在防空洞勘察中的應用[J].石油儀器， 2008， 22（4）： 74-75.

[3]郭鐵柱.高密度電法在崇青水庫壩基滲漏勘查中的應用[J].北京水利， 2001， 2： 44-46.

[4]王玉清，張曉春，馬德蕻等.綜合物探在高層建筑選址工作中的應用[J].河南地質， 2001， 19（ 3） ： 208-211.

[5]李水平.高密度電阻率法在鋁土礦床上的應用[J].物探與化探， 2009， 33（ 1） ： 8-10.

[6]劉士毅.秦始皇陵地宮地球物理探測成果與技術[M].北京：地質出版社， 2005： 102-106.

[7]陳鵬飛，劉音.高密度電法在古建筑地下構筑物探測中的應用—以山西北宋莊龍母寺為例[J].工程地質學報， 2011， 10（3）： 405-409.

[8]何滿潮，韓雪，周旭榮等.地下秦代古城護城河空間位置低損探查[J].工程地質學報， 2006， 14（5）：661-664.