超高密度電法在地下空洞勘探中的應(yīng)用

崔玉成 劉愛(ài)明

(1．山西晉城路橋有限公司，山西 晉城 048000; 2．山西平陽(yáng)路橋有限公司，山西臨汾 041000)

0 引言

超高密度法是由澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發(fā)中心最新研制成功的——FlashRES 64多通道 地面/井地/井井 直流電法勘探系統(tǒng)。

超高密度法與常規(guī)高密度法相比，極大地提高了勘探效率，且取得了真電阻率剖面。

1 超高密度電法原理及儀器系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1．1 超高密度電法勘探原理

超高密度直流電法勘探方法，同以往電法原理相同均是在人工直流電場(chǎng)的作用下，地表電場(chǎng)分布與地下巖體、土體的電阻率分布相關(guān)的基本原理，但又不同于以往直流電法勘探，有以下幾方面的特點(diǎn):

1)超高密度電法打破了以往電法勘探中數(shù)據(jù)采集裝置的限制，而采用自由無(wú)限制的任何四極的組合方式來(lái)采集數(shù)據(jù)，故超高密度方法可采集到幾十倍與常規(guī)電法數(shù)據(jù)采集裝置采集不到的數(shù)據(jù)。例如一個(gè)64根電極的排列中，以往常規(guī)電法勘探的數(shù)據(jù)采集方式僅可采到1 000多個(gè)數(shù)據(jù)，而超高密度電法，則可采集到6萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù)。如此大的數(shù)據(jù)量極大地提高了反演結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2)超高密度電法徹底的拋棄了傳統(tǒng)視電阻率的概念。由于采集的數(shù)據(jù)量是常規(guī)電法的幾十位，通過(guò)反演技術(shù)直接反演成真電阻率剖面圖。該剖面圖可以直接作為巖土體分布規(guī)律解釋的依據(jù)。

3)超高密度電法不同于其他電法儀器，采用61道道技術(shù)，常規(guī)儀器大多為16道。這樣就可以把采樣效率提高幾百倍，從而使真電阻率剖面的取得成為可能。

4)超高密度電法系統(tǒng)可以做井—井間、地面、井—地間電法勘探。

1．2 超高密度電法勘探儀器簡(jiǎn)介

1)系統(tǒng)組成:FlashRES 64多通道 超高密度 地面/井地/井井直流電法勘探系統(tǒng)主要由以下六大部分組成:a．儀器主機(jī)箱;b．便攜式計(jì)算機(jī);c．電纜;d．電極;e．?dāng)?shù)據(jù)采集控制軟件;f．?dāng)?shù)據(jù)處理和反演成像系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。

圖1 超高密度電法勘探儀器

2)主要技術(shù)指標(biāo):a．接收部分:電極:64個(gè);電壓通道數(shù):61;輸入阻抗:＞107 Ω;測(cè)量精度:＜0．5% ＜1 bit;對(duì)50 Hz工頻干擾壓制: ＞80 dB。b．發(fā)射部分:三種供電電壓:30 V，90 V，250 V;電流:＜3 A。c．其他:電纜:兩根帶有32個(gè)電極的多芯電纜;工作溫度:－20℃～+50℃;工作濕度:95%RH;儀器電源:12 V電瓶;重量:4．5 kg;體積:350 mm×300 mm×150 mm。

2 超高密度電法勘探系統(tǒng)的主要用途

1)在橋梁、隧道等大型工程的詳勘中，用于場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)現(xiàn)象等的物探勘查;

2)在公路、鐵路路基施工過(guò)程中，用于找尋路基下的巖溶、采空區(qū)空洞等空洞的檢測(cè)工程質(zhì)量;

3)在金屬礦山巷道內(nèi)探測(cè)巷道四周圍巖及兩條巷道間的礦藏的分布;

4)在場(chǎng)地基坑開(kāi)挖后探測(cè)地下空洞，如采空區(qū)、巖溶、防空洞、墓穴等;

5)用于采空區(qū)、水壩等注漿效果的質(zhì)量檢測(cè)。

3 地下空洞勘探實(shí)例

某單位新建指揮中心，由于在建設(shè)其他工程時(shí)發(fā)現(xiàn)有人防工程，且本工程在帷幕及基坑開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有疑似地下防空洞，為確保指揮中心基礎(chǔ)的安全可靠，需查明地下防空洞的分布深度以及展布方向，受建設(shè)單位委托我公司于2012年10月20日進(jìn)入該指揮中心施工現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)地下防空洞的物探及驗(yàn)證工作，外業(yè)工作于10月24日結(jié)束，資料整理及其他內(nèi)業(yè)工作于10月27日結(jié)束。

3．1 工程概況

本工程由一棟5層辦公樓和地下車庫(kù)組成，占地面積約1 500 m2?，F(xiàn)基坑已開(kāi)挖至天然地面下約7．4 m，基坑?xùn)|西向約65 m，南北向約48 m。

3．2 場(chǎng)地地質(zhì)情況

根據(jù)本場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層由上至下主要為①層雜填土，②層粉土，③層粉質(zhì)粘土，④層粉土，⑤層中粗砂、粉土、角礫。勘探深度約25 m。

地下水位 －24．58 m ～ －26．33 m。

3．3 物探方法的選擇及完成的工作量

根據(jù)我單位前期對(duì)場(chǎng)地的踏勘情況，如果存在地下防空洞，則地下防空洞的埋藏深度約為15 m，地質(zhì)雷達(dá)勘探深度無(wú)法滿足此要求，并且由于場(chǎng)地狹窄，基坑已開(kāi)挖深達(dá)7．4 m，采用常規(guī)高密度法無(wú)法滿足勘探范圍以及深度的要求，故我們采用了超高密度電法勘探，它所測(cè)得的大量數(shù)據(jù)利用現(xiàn)代的反演技術(shù)直接反演成真電阻率剖面圖。此圖可直接用于地下巖土分布的分析和解釋。

共完成測(cè)線11條，測(cè)點(diǎn)662個(gè)，具體測(cè)線布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 指揮中心物探測(cè)線、物探驗(yàn)證孔布設(shè)及物探成果平面布置示意圖

3．4 物探異常區(qū)鉆探驗(yàn)證及完成工作量

10月22日我公司提交初步物探報(bào)告后，建議對(duì)物探高阻異常區(qū)布設(shè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)委托方同意后，我公司于10月23日～10月24日完成了鉆探驗(yàn)證，共布設(shè)鉆孔8個(gè)，鉆探進(jìn)尺122．1 m，孔位見(jiàn)圖2。

3．5 勘查對(duì)象地球物理前提分析

綜合分析本場(chǎng)地附近介質(zhì)的電性情況，認(rèn)為如果存在地下防空洞，則與周圍土及砂之間存在較明顯的電性(如電阻率或電導(dǎo)率等)差異，表現(xiàn)為高電阻率異常，這為該工區(qū)進(jìn)行超高密度電法勘查工作尋找人防空洞提供了良好的地球物理前提。

3．6 數(shù)據(jù)處理與資料解釋

利用超高密度直流電法勘探系統(tǒng)配置的處理軟件，處理后生成的結(jié)果文件，可以用Surfer軟件打開(kāi)，利用Surfer軟件可以繪制真電阻率剖面圖，得到真電阻率剖面圖可以直接為地質(zhì)勘察人員使用，并與其他勘察資料比對(duì)。

3．7 超高密度電法探測(cè)結(jié)果異常解釋

綜合分析所測(cè)11條測(cè)線所發(fā)現(xiàn)的異常，存在明顯的高阻異常，電阻率值150 Ω·m～300 Ω·m，而一般地下水位以下粉土、砂視電阻率在50 Ω·m或以下，異常較為明顯，異常深度分布在基坑底面以下9 m～11 m，所有異?；驹谕桓叱躺希綄挾? m～6 m，為局部獨(dú)立異常，各測(cè)線異常具有相關(guān)性和相對(duì)連續(xù)性，異常呈條帶分布，再根據(jù)先前的地勘資料，在物探異常對(duì)應(yīng)深度是粉土，再結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，在粉土內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，存在人工建筑的可能性很大。

典型電阻率剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3 超高密度電法探測(cè)圖

3．8 鉆探驗(yàn)證

為進(jìn)一步確定物探異常的性質(zhì)，在物探異常區(qū)布設(shè)鉆孔8個(gè)，其中6個(gè)鉆孔有掉鉆現(xiàn)象，掉鉆深度9．5 m～10．1 m，2個(gè)鉆孔在9．3 m左右發(fā)現(xiàn)鉆探進(jìn)尺快，土樣松散的現(xiàn)象。鉆探驗(yàn)證結(jié)果表明，物探高阻異常為地下防空洞。

4 結(jié)語(yǔ)

本次超高密度電法勘探取得了良好的野外數(shù)據(jù)，超高密度電法電阻率反演剖面圖反映出物探異常區(qū)為高阻異常，與背景之間電性差異明顯，異常清晰，并與鉆探驗(yàn)證結(jié)果相吻合。

超高密度法在物探勘探過(guò)程中具有勘探效率高，受場(chǎng)地條件制約小，解譯結(jié)果為真電阻率剖面圖易于與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件比對(duì)等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的勘探手段。