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(qū)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(nèi)外主要是以地質(zhì)調(diào)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(fā)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(qū)等地下空洞探測技術(shù)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(shù)方面也發(fā)展迅速。日本的工程物探技術(shù)在國外同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，應(yīng)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(yīng)用的比較多，特別是日本VIC公司80年代開發(fā)研制的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘察機，在采空區(qū)、巖溶等空洞探測中效果良好。歐洲等國家工程物探技術(shù)也較全面，在采空區(qū)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(shù)等，英、法等國家地質(zhì)雷達方法應(yīng)用較好，微重力法、淺層地震法也在使用[3]。結(jié)合不同方法的應(yīng)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(zhì)概況

1.1 地層

據(jù)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(tǒng)風積(Q3eol)黃土，沖積(Q3al)中砂、卵石、粉質(zhì)黏土、圓礫，第四系中更新統(tǒng)(Q2al)粉質(zhì)黏土、圓礫等構(gòu)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(jù)已知資料，本區(qū)域量測的穩(wěn)定水位深度為17.6～22.1 m，相應(yīng)高程為395.67～397.49 m，地下水屬潛水類型。據(jù)有關(guān)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(qū)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(qū)域地下穩(wěn)定水位深度約17.6 m，淺層地層因雨水等地表水導(dǎo)致局部存在潛水。地表因拆除房屋導(dǎo)致地表不平整，廢棄混凝土塊體散落等原因?qū)е挛锾绞┕ご缶€布設(shè)較困難。防空洞內(nèi)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(qū)位于城區(qū)，周圍環(huán)境噪聲較強。綜上所述，施工區(qū)域地球物理條件屬于復(fù)雜區(qū)，但具備進行地球物理探測的前提條件。

3 測線布置和數(shù)據(jù)采集

3.1 測線布置

根據(jù)任務(wù)要求和工區(qū)內(nèi)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(shè)總5條(編號D1～D5)。在淺層地震數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，及時對資料進行處理發(fā)現(xiàn)淺層反射地震時間剖面約60 ms附近存在明顯反射波，結(jié)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(zhì)任務(wù)，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(shù)據(jù)采集

3.2.1 淺層地震

考慮到工區(qū)內(nèi)外部干擾大，目標體空間尺度小，地質(zhì)任務(wù)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(tǒng)，道距1 m，炮距2 m，最大疊加次數(shù)為40次。儀器采用法國428XL數(shù)字地震儀，采樣率0.5 ms，記錄長度1 000 ms。激發(fā)方式為錘擊法，錘擊疊加次數(shù)為5次。接收采用5個串聯(lián)的60 Hz檢波器點式組合。

為評述淺層地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，隨機調(diào)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(zhì)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(xiàn)的區(qū)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(shù)據(jù)具有較高質(zhì)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(jié)構(gòu)具有一定的成像功能，是基于地層內(nèi)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(jīng)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(xù)數(shù)據(jù)采集，可獲得豐富的地質(zhì)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(zhì)信息。高密度電法使用儀器為重慶奔騰數(shù)控研究所生產(chǎn)的WDJD-3型多功能數(shù)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(wěn)定，狀態(tài)良好，確保了野外數(shù)據(jù)采集工作的質(zhì)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(shù)60個，剖面數(shù)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(zhuǎn)換器的電源電壓進行測量，當儀器電源電壓低于規(guī)定時，及時更換電池。對觀測中出現(xiàn)的誤差較大的點，均在現(xiàn)場查明原因并進行了及時處理，必要時對其進行重復(fù)觀測。數(shù)據(jù)采集嚴格按相關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程執(zhí)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(huán)境干擾影響，對施工周圍環(huán)境沒有影響，儀器設(shè)備輕便，探測成本低、效率高。相較傳統(tǒng)的物探方法，微動探測技術(shù)具有對周圍環(huán)境影響小，施工方便等優(yōu)點，在不便施工或?qū)Νh(huán)境保護要求高的區(qū)域，具備獨有優(yōu)勢。然而，受現(xiàn)有的技術(shù)方法限制，微動探測主要用以估算深部S波速度結(jié)構(gòu)及探測深部構(gòu)造。在城市環(huán)境中用微動探測方法解決淺部地質(zhì)問題，諸如基巖埋深與起伏形態(tài)調(diào)查、隱伏斷裂、活斷層、地裂縫、巖溶、空洞等地質(zhì)異常體的探測。本次微動數(shù)據(jù)采集儀器使用DTCC公司的SmartSolo無線節(jié)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(shù)據(jù)采集要求。本次微動探測觀測系統(tǒng)采用多個連續(xù)的三重圓型排列進行觀測，三重圓排列布設(shè)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(xù)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(shù)據(jù)圖，如圖3所示。

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

3.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.3.1 淺層地震數(shù)據(jù)處理與解釋

淺層反射地震數(shù)據(jù)處理主要使用工作站系統(tǒng)，其基本流程如圖4所示，主要處理內(nèi)容有數(shù)據(jù)解編、道編輯、振幅與頻率補償、數(shù)字濾波、靜校正、速度分析、動校正、水平疊加、疊后去噪等環(huán)節(jié)。圖5為D5測線對應(yīng)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(shù)據(jù)Fig.3 Raw data collection of fretting detection

圖4 淺層地震數(shù)據(jù)處理基本流程Fig.4 Basic flow of shallow seismic data processing

3.3.2 高密度電法數(shù)據(jù)處理與解釋

高密度電法野外觀測數(shù)據(jù)經(jīng)通信進入計算機后，經(jīng)過BTRC程序轉(zhuǎn)換成可供RES2DINV程序和Surfer程序應(yīng)用的數(shù)據(jù)格式，資料解釋主要依據(jù)RES2DINV程序的反演計算結(jié)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(jù)區(qū)內(nèi)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(zhì)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(jié)果保存為圖像文件形式，打印裝訂成冊，供室內(nèi)解釋。總之，資料解釋中應(yīng)由定性到定量、用定性指導(dǎo)定量、而定量又進一步深化定性認識、反復(fù)推斷，最終將電法成果轉(zhuǎn)化為地質(zhì)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(qū)內(nèi)防空洞，在順地層水平方向上局部地段出現(xiàn)不充水或充水不足空洞時，則該區(qū)域?qū)щ娦宰儾睿憩F(xiàn)為高阻異常，當以充水空洞形式存在時，由于水體良好的導(dǎo)電性，使該地段電阻率明顯低于圍巖[10]。本區(qū)地表沙層因其干濕度不同，電性較為復(fù)雜，本區(qū)穩(wěn)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(qū)(圖6為D5測線高密度電法等視電阻率斷面圖)，經(jīng)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(shù)據(jù)處理與解釋

微動探測數(shù)據(jù)采集結(jié)束，首先對微動數(shù)據(jù)使用自編軟件進行數(shù)據(jù)整理，截取有效長度的數(shù)據(jù)進行計算，然后按照觀測系統(tǒng)臺站布設(shè)方式對數(shù)據(jù)重新進行整理排序，集合成為一個數(shù)據(jù)進行處理。對微動探測數(shù)據(jù)進行分段處理，本次截取16 min長度數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進行篩選，剔除明顯干擾道的數(shù)據(jù)，選取有效道數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行選擇后，選擇擴展空間自相關(guān)法，即ESPAC法[10-11]，對微動數(shù)據(jù)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(jù)頻率譜來確定數(shù)據(jù)的有效頻帶范圍，如圖7所示。然后對該數(shù)據(jù)進行時間分段處理，同時剔除該數(shù)據(jù)中強干擾信號，該時間段的信號不參與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)頻率譜Fig.7 Frequency spectrum of fretting data

將各接收點數(shù)據(jù)按照三重圓臺陣排列方式進行組合，對數(shù)據(jù)進行時間分段，將數(shù)據(jù)中的干擾信息時段進行剔除后，使用ESPAC法對臺陣組合數(shù)據(jù)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(xiàn)為低速異常[13]，根據(jù)這一特征對測線進行解釋，與實際防空洞位置對應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(jié)論

(1)針對工區(qū)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(qū)位于城區(qū)，地震勘探數(shù)據(jù)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(jié)合，降低物探成果多解性。