地下人防巷道上方探地雷達(dá)異常特征與實(shí)際應(yīng)用

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022)

林曉暉，張國鴻

0 引言

由于歷史的原因，在我國中心城市和大型企業(yè)坐落區(qū)普遍分布有地下人防巷道。當(dāng)今，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，尤其是城市改造、道路、地下工程（地鐵、地下停車場、地下商城等）和商住樓等建設(shè)項(xiàng)目越來越多，因此要求對于建設(shè)場地下方的地下人防巷道的分布必須搞清楚，以優(yōu)化工程設(shè)計(jì)規(guī)劃，保障工程質(zhì)量和運(yùn)行的安全。人防巷道存在地下有四十年的時(shí)間，它可能已發(fā)生了塌陷，其中可能存在水、土充填物，準(zhǔn)確探測出它的空間分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一件極為困難的事。探地雷達(dá)是利用寬帶高頻電磁波來探測淺地表中介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、隱蔽物空間分布的地球物理方法，我們根據(jù)建設(shè)場地的工程勘察資料，建立不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的人防巷道模型，利用數(shù)值模擬的方法正演地下人防巷道上方探地雷達(dá)異常，據(jù)此異常特征幫助我們實(shí)際工作中對地下人防巷道的位置、形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等性質(zhì)進(jìn)行推斷。實(shí)際應(yīng)用工作表明，這種借助于正演異常特征對地下人防巷道分布推斷的成果，得到了勘察設(shè)計(jì)單位的認(rèn)可。

1 正演方法簡介

探地雷達(dá)波具有高頻特征，波長較短，介質(zhì)吸收強(qiáng)烈，同時(shí)受地面干擾大，使得探測剖面復(fù)雜，因此，用數(shù)值模擬的方法模擬待測目標(biāo)體的雷達(dá)波場特征，對認(rèn)識實(shí)際的雷達(dá)記錄，識別目標(biāo)體有著重要意義[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛運(yùn)用，數(shù)值模擬是探地雷達(dá)最常用的正演方法。模擬探地雷達(dá)波在時(shí)空域內(nèi)傳播的常用數(shù)值模擬方法有射線追蹤法、有限元法有限差分法等[1]。本文所采用的正演方法為時(shí)間域有限差分法，其基本原理如下。

考察一個(gè)無源區(qū)域，其介質(zhì)的電磁參數(shù)不隨時(shí)間變化且各向同性，則麥克斯韋旋度方程可寫成[1]：

上式中，E是電場強(qiáng)度；H是磁場強(qiáng)度；ε是介電常數(shù)；σ是介質(zhì)電導(dǎo)率；μ是介質(zhì)磁導(dǎo)率；ρ是計(jì)算磁損耗的磁阻率。在直角坐標(biāo)系中，將（1）式寫成分量形式：

考察區(qū)域建立矩形差分網(wǎng)格，可將式（2）～（7）化為差分方程，如：將（2）式化為差分方程（其他算式雷同）：

上式中,（i,j,k）為節(jié)點(diǎn)編號；?x、?y、?z為矩形網(wǎng)格分別沿x,y,z方向的空間步長；?t為時(shí)間步長。

2 人防巷道的異常特征

根據(jù)工程勘察資料，針對人防巷道的埋藏深度和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立五種類型的人防巷道的地電模型，并以實(shí)際工作中使用的發(fā)射天線頻率（100MHz）進(jìn)行了正演數(shù)值模擬，介質(zhì)的相對介電常數(shù)和形態(tài)分別為：黏土εr=4，水體εr=81，空氣εr=4；人防巷道形狀為拱形，高2m，寬2m，壁厚0.25m,模擬出的異常特征結(jié)果如下。

2.1 模擬結(jié)果一

模擬了人防巷道頂部埋深為2.5m，模型1為人防巷道內(nèi)部空腔全部充滿水體；模型2為人防巷道內(nèi)部空腔的一半充滿水體。人防巷道的埋深、結(jié)構(gòu)以及模擬結(jié)果見圖1。

圖1（a）和圖1（b）是人防巷道分布與結(jié)構(gòu)情況，人防巷道四周為黏土層。圖1（c）、圖1（d）分別是正演模擬模型的探地雷達(dá)異常結(jié)果的剖面圖。由圖1可見，由于人防巷道埋深淺，探地雷達(dá)“雙曲線型”的反射異常特征十分明顯。兩模型的異常特征的主要區(qū)別在于：人防巷道內(nèi)充滿水體時(shí)（圖（a）），探地雷達(dá)反射波異常（圖（c））曲線的曲率大；人防巷道內(nèi)一半充水時(shí)（圖（b）），探地雷達(dá)的異常（圖（d））曲線的曲率小些，即反射異常曲線平緩些，且異常出現(xiàn)的深度大些，主要是人防巷道內(nèi)水體界面的產(chǎn)生的反射引起。

2.2 模擬結(jié)果二

模擬了人防巷道頂部埋深為7.0m，模型1為人防巷道內(nèi)部空腔全部充滿水體；模型2為人防巷道內(nèi)部空腔的一半充滿水體。人防巷道的埋深、結(jié)構(gòu)以及模擬結(jié)果見圖2。

圖1 2.5m埋深人防巷道上方探地雷達(dá)異常特征Fig.1 GPR anomaly features of air defense tunnel at 2.5m burial depth

圖2（a）和圖2（b）是人防巷道分布與結(jié)構(gòu)情況，人防巷道四周為黏土層。圖2（c）、圖2（d）分別是正演模擬模型的探地雷達(dá)異常剖面圖。由圖2可見，由于人防巷道埋深較大，探地雷達(dá)“雙曲線型”的異常雖有顯示，但異常特征不明顯，異常曲線的曲率小，接近平直。兩模型的異常特征主要區(qū)別在于：人防巷道內(nèi)充滿水體時(shí)（圖（a）），探地雷達(dá)波的反射異常（圖（c））位置淺，與人防巷道頂部埋深一致；人防巷道內(nèi)一半充水時(shí)（圖（b）），探地雷達(dá)的反射波異常（圖（d））出現(xiàn)的深度較大，主要是人防巷道內(nèi)水體與空氣間的界面反射引起。

2.3 模擬結(jié)果三

圖2 7.0m埋深人防巷道上方探地雷達(dá)異常特征Fig. 2 GPR anomaly features of air defense tunnel at 7.0m burial depth

模擬了人防巷道頂部埋深為12m，其內(nèi)部空腔全部充滿地下水的情況。人防巷道的埋深、結(jié)構(gòu)以及模擬結(jié)果見圖3。

圖3（a）是人防巷道分布與結(jié)構(gòu)情況，人防巷道四周為黏土層。圖3（b）是模擬模型的探地雷達(dá)異常剖面圖。由圖3（b）可見，由于人防巷道埋深大，探地雷達(dá)“雙曲線型”的反射波異常特征基本消失，異常特征接近水平層狀結(jié)構(gòu)層的反射波。

圖3 12m埋深人防巷道上方探地雷達(dá)異常特征Fig. 3 GPR anomaly features of air defense tunnel at 12.0m burial depth

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 應(yīng)用區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆探揭露，查區(qū)內(nèi)第四系厚度在30米左右，在第四系蓋層內(nèi)，根據(jù)場地工程勘察鉆探揭露，第四紀(jì)地層主要由全新統(tǒng)填土層及黏土層構(gòu)成。大致可劃分為三層：

（1）雜填土：揭露層厚0.70～1.50m?；液稚詽?，松散，該層以回填砂土混大量的煤渣、碎磚屑及混凝土屑為主，偶見有小碎石。

（2）素填土：揭露層厚0.50～1.00m。褐色，稍濕，松散；以回填粘性土為主，軟塑狀，含有直徑3～5cm碎石，并見有少量碎磚屑及煤渣。

（3）粉質(zhì)黏土：揭露厚度1.00～2.30m。黃褐色，硬塑狀，含鐵、錳質(zhì)氧化物銹斑及結(jié)核，少量灰白色高嶺土條紋，含少量姜石。

第四系黏土層之下是古近、新近系梁園組紅色泥巖。

3.2 探測結(jié)果

（1）a1和a2剖面：兩條剖面平行，相距10m，剖面長10m，測點(diǎn)距0.1m。圖4是兩條剖面的探地雷達(dá)實(shí)測記錄圖像。從兩條剖面的探地雷達(dá)實(shí)測的反射剖面圖像看，在反射剖面深度內(nèi)，大致可劃分三個(gè)地質(zhì)層，分別是0～2m的填土層（弱反射）；2～5m的粉質(zhì)黏土層（強(qiáng)反射）；5～12m的黏土層（弱反射）。觀察兩條剖面的探地雷達(dá)圖像，在兩條剖面的7～9號測點(diǎn)位置，深度5m左右出現(xiàn)了明顯的“雙曲線型”反射波異常，由于“雙曲線型”的異常特征明顯（圖中圓圈位置），我們推斷認(rèn)為是埋藏淺的人防巷道發(fā)射引起，即是人防巷道的進(jìn)口位置。

圖4 a1和a2剖面探地雷達(dá)圖像Fig. 4 GPR images for sections a1 and a2

（2）a3和a4剖面：兩條剖面平行，相距10m，剖面長19m，測點(diǎn)距0.1m。圖5是兩條剖面的探地雷達(dá)實(shí)測記錄圖像。同樣，在反射剖面深度內(nèi)，可劃分三個(gè)地質(zhì)層位，分別是0～2m的填土層（弱反射）；2～5m的粉質(zhì)黏土層（強(qiáng)反射）；5～12m的黏土層（弱反射）。觀察兩條剖面的探地雷達(dá)圖像，在兩條剖面的16—18號測點(diǎn)位置，深度在6m左右出現(xiàn)了較明顯的“雙曲線型”反射波異常，由于“雙曲線型”的異常特征比較明顯，我們推斷認(rèn)為是a1、a2剖面位置上的人防巷道向前延伸引起。

圖5 a3和a4剖面探地雷達(dá)圖像Fig. 5 GPR images for sections a3 and a4

（3）a5和a6剖面：兩條剖面彼此平行，并與a4、a5剖面平行，剖面距10m，剖面長18m，測點(diǎn)距0.1m。圖6是兩條剖面的探地雷達(dá)實(shí)測記錄圖像。兩條剖面背景場異常與a1、a2、a3、a4剖面基本相同，在反射剖面深度內(nèi)，也可劃分出三個(gè)地質(zhì)層位，分別是0～2m的填土層（弱反射）；2～5m的粉質(zhì)黏土層（強(qiáng)反射）；5～12m的黏土層（弱反射）。由兩條剖面的探地雷達(dá)圖像可見，在兩條剖面的14～16號測點(diǎn)位置，深度在9m左右出現(xiàn)了孤立的強(qiáng)反射區(qū)（圖中圓圈位置），反射波異?；境手本€，由于“直線型”的異常特征明顯，我們推斷認(rèn)為在弱反射區(qū)內(nèi) “直線型”強(qiáng)反射波異常的位置是地下人防巷道延伸至a3、a4剖面上的部分引起。

圖6 a5和a6剖面探地雷達(dá)圖像Fig. 6 GPR images for sections a5 and a6

4 結(jié)語

探測地下人防巷道埋藏深度和走向位置，采用探地雷達(dá)法效率高、作業(yè)簡單，但由于探測場地多為拆遷的建筑場地，地表介質(zhì)復(fù)雜、探測條件差，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)不僅消除淺層介質(zhì)不均勻性造成的干擾影響，而且要根據(jù)場地工程勘察資料，估計(jì)人防巷道大致埋深和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立地電模型進(jìn)行正演計(jì)算，建立勘查場地范圍內(nèi)人防巷道的探地雷達(dá)的發(fā)射波異常特征，以此可幫助我們?nèi)Χㄈ朔老锏赖穆裆詈妥呦蛭恢谩?/p>

當(dāng)人防巷道埋藏較淺的情況下，它的內(nèi)部可能一半沖水，這時(shí)人防巷道上方的探地雷達(dá)異常主要是人防巷道空腔內(nèi)空氣與地下水間的界面引起的反射，因此不能認(rèn)為異常出現(xiàn)的深度就是人防巷道頂部埋藏深度；人防巷道埋藏變深，反射波異常曲線的曲率會變小，人防巷道位置不易識別；人防巷道埋藏深超過10m左右，發(fā)射波異常變成直線，表現(xiàn)出層狀物質(zhì)分布情況，在這種情況下需應(yīng)用綜合物探方法探測。