防空洞物探方法探測效果對比分析*

李 亮，汶小崗，2，王 輝，喬 會

(1.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710026)

0 引言

西安市東郊某廠區建筑施工前期，需對建筑工地是否存在未知防空洞進行探測。地下空洞探測國內外主要是以地質調查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等[1]。其中，美國等西方發達國家以物探方法為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。在美國，采空區等地下空洞探測技術全面，電法、電磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平[2]。近年來在地震CT技術方面也發展迅速。日本的工程物探技術在國外同行業中處于領先地位，應用最廣泛的是地震波法，電法、電磁法及地球物理測井等方法也應用的比較多，特別是日本VIC公司80年代開發研制的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘察機，在采空區、巖溶等空洞探測中效果良好。歐洲等國家工程物探技術也較全面，在采空區的探測上，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、地震反射波法、井間電磁波透射、射氣測量技術等，英、法等國家地質雷達方法應用較好，微重力法、淺層地震法也在使用[3]。結合不同方法的應用場景和工程實際，本次防空洞探測采用淺層地震勘探[4-5]、高密度電法[6]和微動探測[7-8]3種物探方法。

1 地質概況

1.1 地層

據勘探揭露，場地地層自上而下依次由人工填土(Q4ml)、第四系上更新統風積(Q3eol)黃土，沖積(Q3al)中砂、卵石、粉質黏土、圓礫，第四系中更新統(Q2al)粉質黏土、圓礫等構成。人工填土的厚度約8.0 m，黃土厚度約12.0 m，沖積層厚度約40.0 m。

1.2 地下水

據已知資料，本區域量測的穩定水位深度為17.6～22.1 m，相應高程為395.67～397.49 m，地下水屬潛水類型。據有關文獻資料，擬建場地地下水位年變化幅度約為2.0 m。

2 地球物理條件

由于施工區域表層為回填土且密實性較差，回填土厚度約8.0 m，回填土對地震波吸收衰減強烈。施工區域地下穩定水位深度約17.6 m，淺層地層因雨水等地表水導致局部存在潛水。地表因拆除房屋導致地表不平整，廢棄混凝土塊體散落等原因導致物探施工大線布設較困難。防空洞內部為空氣或水充填，防空洞圍巖與空氣或水之間存在明顯物性差異，且工區位于城區，周圍環境噪聲較強。綜上所述，施工區域地球物理條件屬于復雜區，但具備進行地球物理探測的前提條件。

3 測線布置和數據采集

3.1 測線布置

根據任務要求和工區內的實際地形條件，測線方向基本垂直于防空洞，大概走向呈NW向，淺層地震測線與高密度電法重合，測線布設總5條(編號D1～D5)。在淺層地震數據采集結束后，及時對資料進行處理發現淺層反射地震時間剖面約60 ms附近存在明顯反射波，結合工勘鉆孔，認為該層位是淺層浮土與砂層分界面。防空洞位于該層位以淺，而淺層反射地震資料信噪比低，不滿足防空洞解釋。為了更好地完成本次勘探地質任務，采用微動探測進行補充，微動探測測線與淺層反射地震測線重合。

3.2 數據采集

3.2.1 淺層地震

考慮到工區內外部干擾大，目標體空間尺度小，地質任務要求精度高，本次淺層地震工作采用80道固定排列觀測系統，道距1 m，炮距2 m，最大疊加次數為40次。儀器采用法國428XL數字地震儀，采樣率0.5 ms，記錄長度1 000 ms。激發方式為錘擊法，錘擊疊加次數為5次。接收采用5個串聯的60 Hz檢波器點式組合。

為評述淺層地震數據采集質量，隨機調出了部分測線中的個別原始單炮記錄，就此對地震記錄品質情況作簡要說明。D3測線部分原始單炮記錄面貌及其波場信息圖，如圖1所示。由圖可見，記錄中折射波、反射波以及面波信息容易識別，波場特征比較清晰。面波能量所出現的區間(時間和空間)，已被有效隔阻在主要目的層時間段之外，由此說明所采集的地震數據具有較高質量。

圖1 D3測線地震原始記錄面貌及其波場信息Fig.1 Original seismic records and wave field information of survey line D3

3.2.2 高密度電法

高密度電法屬于電阻率法，是一種剖面法和電測深法的組合式的剖面裝置，對地電結構具有一定的成像功能，是基于地層內的目標體與圍巖存在電性差異為前提的探測方法。它是將直流電經由地表供入地下，隨供電極距的加大，電流場向地下的分布深度逐漸加大，目標體與圍巖存在電性差異會被測量電極在地表捕獲，從而獲得目標體在橫、縱方向上的電阻率值變化信息。高密度電法采用密集的電極排列進行縱橫向連續數據采集，可獲得豐富的地質信息，該方法可了解排列段下地層電性的縱、橫向變化，兼有電剖面法、電測深法的地質信息。高密度電法使用儀器為重慶奔騰數控研究所生產的WDJD-3型多功能數字式直流電法儀。該儀器具有抗干擾能力強、儀器操作簡單、保真性強。整個野外工作期間，儀器性能穩定，狀態良好，確保了野外數據采集工作的質量。高密度電法采用溫納裝置，為獲得更多的信息，采用1 m電極間距觀測，電極數60個，剖面數N為19。野外觀測時，每個排列的觀測始末均對儀器和多路轉換器的電源電壓進行測量，當儀器電源電壓低于規定時，及時更換電池。對觀測中出現的誤差較大的點，均在現場查明原因并進行了及時處理，必要時對其進行重復觀測。數據采集嚴格按相關技術規范、規程執行。

3.2.3 微動探測

微動探測方法無需人工源，不受外界電磁干擾和場地的環境干擾影響，對施工周圍環境沒有影響，儀器設備輕便，探測成本低、效率高。相較傳統的物探方法，微動探測技術具有對周圍環境影響小，施工方便等優點，在不便施工或對環境保護要求高的區域，具備獨有優勢。然而，受現有的技術方法限制，微動探測主要用以估算深部S波速度結構及探測深部構造。在城市環境中用微動探測方法解決淺部地質問題，諸如基巖埋深與起伏形態調查、隱伏斷裂、活斷層、地裂縫、巖溶、空洞等地質異常體的探測。本次微動數據采集儀器使用DTCC公司的SmartSolo無線節點儀器，該儀器具有靈敏度高，抗干擾能力強等特點，滿足此次微動數據采集要求。本次微動探測觀測系統采用多個連續的三重圓型排列進行觀測，三重圓排列布設觀測示意圖，如圖2所示，三重圓半徑分別為2.5 m、5 m、10 m，多個測點組成一條測線，采樣間隔1 ms，連續記錄1 h。采集期間對周圍進行警戒，保證采集期間無人為干擾，本次微動探測采集原始數據圖，如圖3所示。

圖2 三重圓排列布設觀測示意Fig.2 Observation of triple circle arrangement

3.3 數據處理與解釋

3.3.1 淺層地震數據處理與解釋

淺層反射地震數據處理主要使用工作站系統，其基本流程如圖4所示，主要處理內容有數據解編、道編輯、振幅與頻率補償、數字濾波、靜校正、速度分析、動校正、水平疊加、疊后去噪等環節。圖5為D5測線對應地震時間剖面。從各時間剖面圖中可看出時間剖面約60 ms附近存在明顯反射波同相軸且能量較強，認為該層位為淺層浮土與砂層分界面，浮土與砂層存在明顯的波阻抗差異，具備形成強能量反射波前提。而防空洞位于該層位以淺，淺層反射資料信噪比低不滿足防空洞探測要求。因此，淺層反射地震僅做防空洞探測的輔助解釋資料。

圖3 微動探測采集原始數據Fig.3 Raw data collection of fretting detection

圖4 淺層地震數據處理基本流程Fig.4 Basic flow of shallow seismic data processing

3.3.2 高密度電法數據處理與解釋

高密度電法野外觀測數據經通信進入計算機后，經過BTRC程序轉換成可供RES2DINV程序和Surfer程序應用的數據格式，資料解釋主要依據RES2DINV程序的反演計算結果，進行綜合分析對比，剔除因地形或電極周圍的局部不均勻體所引起的干擾異常，去偽存真，根據區內地層的電性特征[9]，選擇合理的等值線間隔和色彩，最終形成地質解釋剖面示意圖。剖面縱軸為地面向下埋深，橫軸為點號，色標為反演模型視電阻率值。最后將反演計算結果保存為圖像文件形式，打印裝訂成冊，供室內解釋。總之，資料解釋中應由定性到定量、用定性指導定量、而定量又進一步深化定性認識、反復推斷，最終將電法成果轉化為地質成果。

圖5 D5測線地震時間剖面Fig.5 Seismic time profile of survey line D5

由于區內防空洞，在順地層水平方向上局部地段出現不充水或充水不足空洞時，則該區域導電性變差，表現為高阻異常，當以充水空洞形式存在時，由于水體良好的導電性，使該地段電阻率明顯低于圍巖[10]。本區地表沙層因其干濕度不同，電性較為復雜，本區穩定水位深度為17.6～22.1 m，高程低于地下防空洞，故分析地下防空洞充水性較差，本次以相對高阻在各測線視電阻率斷面圖中圈定防空洞異常區(圖6為D5測線高密度電法等視電阻率斷面圖)，經分析，與實際防空洞位置較為吻合。

圖6 D5測線高密度電法等視電阻率斷面Fig.6 Equal apparent resistivity section of high-density electrical method of survey line D5

3.3.3 微動探測數據處理與解釋

微動探測數據采集結束，首先對微動數據使用自編軟件進行數據整理，截取有效長度的數據進行計算，然后按照觀測系統臺站布設方式對數據重新進行整理排序，集合成為一個數據進行處理。對微動探測數據進行分段處理，本次截取16 min長度數據，對該數據進行篩選，剔除明顯干擾道的數據，選取有效道數據。對數據進行選擇后，選擇擴展空間自相關法，即ESPAC法[10-11]，對微動數據進行處理，給定最大速度及速度增量，然后給定最大頻率及頻率增量，可根據頻率譜來確定數據的有效頻帶范圍，如圖7所示。然后對該數據進行時間分段處理，同時剔除該數據中強干擾信號，該時間段的信號不參與數據處理，各時段的頻譜如圖8所示，對于干擾嚴重的時段可以在處理時不采用。

圖7 微動數據頻率譜Fig.7 Frequency spectrum of fretting data

將各接收點數據按照三重圓臺陣排列方式進行組合，對數據進行時間分段，將數據中的干擾信息時段進行剔除后，使用ESPAC法對臺陣組合數據進行頻散譜提取，得到的頻散譜、頻散曲線及S波速度圖[12]，如圖9所示。由于防空洞的存在，在S波速度剖面上表現為低速異常[13]，根據這一特征對測線進行解釋，與實際防空洞位置對應吻合。

圖9 D5測線微動探測頻散譜、頻散曲線及S波速度剖面Fig.9 Dispersion spectrum，dispersion curve and S-wave velocity of fretting detection in line D5

通過對比淺層地震法、高密度電法及微動探測法在查找防空洞中的效果，發現淺層地震法在防空洞探查的效果較差，無法單獨滿足勘探要求，但可以為別的方法提供一定的參考。微動探測法與高密度電法的效果較好，可以滿足勘探要求。

4 結論

(1)針對工區防空洞探測分別進行了淺層地震勘探、高密度電法勘探和微動探測，由于工區位于城區，地震勘探數據資料信噪比低不滿足防空洞探測要求。

(2)高密度電法勘探和微動探測成果與真實防空洞位置吻合度較好，可為防空洞勘探提供借鑒，在進行防空洞勘探時，最好同時采用高密度電法勘探和微動探測結合，降低物探成果多解性。