隱伏含水防空洞小極距電阻率成像特征研究

王明明，耿德祥，穆路謙，盧婧怡，周 正，穰 浩

1.宿州學院資源與土木工程學院,安徽宿州,234000；2.湖北省地質局地球物理勘探大隊,湖北武漢,430056

20世紀六七十年代，很多城市城區(qū)建設了大量的防空洞。這些防空洞在地下呈縱橫交錯多分支分布，埋深大，空間結構復雜。廢棄的地下防空洞，為密閉空間，空氣無法自由流通，洞內缺少氧氣，并可能存在有毒性氣體[1]。尤其建筑年代久遠的防空洞，由于年久失修，防空洞內可能有積水、淤泥和塌方，一般情況下，人員和設備無法進入洞內進行勘察[2]。而地球物理方法可根據(jù)地下目標體與圍巖的物性差異在地面進行探測，通過反演計算獲得地下目標體的位置、大小和埋深等參數(shù)[3]。常用的地球物理探測方法有電阻率成像、地質雷達、瑞雷面波和地面磁法等[4]，其中電阻率成像方法因其采集的數(shù)據(jù)信息豐富、分辨率高、受地形影響小等優(yōu)勢，被廣泛應用于工程勘察領域。如水庫滲漏隱患探測[5]、礦井含水構造探測[6]、道路沉陷坑探測[7]、地鐵巖溶隱患探測[8]、滑坡體探查[9]等。在防空洞探測方面，羅有春等[10]采用電阻率成像對防空洞進行探測，取得較好效果，發(fā)現(xiàn)該方法雖有體積效應，但最小電極距決定其空間分辨率。柴承平等[11]利用電阻率成像方法對中國科學技術大學東校區(qū)內防空洞進行探測，確定了其位置和埋深。郭厚軍和張國鴻等采用不同裝置類型對防空洞的電阻率成像效果進行了對比[12]。Ainsworth等[13]利用電阻率成像方法對英國二戰(zhàn)時期的防空洞進行探測，并與地質雷達探測結果進行了比較。羊德起等[14]針對無水防空洞進行了電阻率成像試驗，分析了其高阻異常響應特點。雖然前人采用電阻率成像方法對防空洞開展了大量的探測和試驗工作，驗證了該方法的有效性，但是針對防空洞成像特征方面的研究較少。尤其是對于含水防空洞的電阻率成像特征辨識，仍缺少規(guī)律性總結。

研究以合肥市瑤海區(qū)某房地產建設項目隱伏防空洞勘察為例，采用小極距電阻率成像方法，研究隱伏含水防空洞的電阻率成像特征，為利用電阻率成像方法精確探測含水防空洞的空間位置提供參考。

1 測區(qū)概況

測區(qū)位于合肥市瑤海區(qū)銅陵路、片塘路、來安路和長江東大街環(huán)繞區(qū)域?，幒^(qū)位于合肥市東部，是合肥市四大老城區(qū)之一。氣候上屬于亞熱帶濕潤季風氣候，春夏季降雨量大，占全年降雨量的2/3[15]。在地質構造上，該地區(qū)處于燕山期斷陷盆地之中，地層上部為第四紀松散沉積物，主要形成于中、晚更新世，受地質構造運動和地表水對沉積巖的侵蝕、風化作用影響[16]。探測區(qū)地表為黃褐色黏土，工程地質上以黏性土、膨脹土為主。測區(qū)防空洞修建于20世紀70年代且早已被廢棄。該區(qū)域將要修建高層住宅，對于地基的承載力要求較高，如果樁基經過防空洞，其結構和穩(wěn)定性必然會受到影響。測區(qū)無施工圖紙，使得防空洞的空間位置目前已無法判斷，給工程建設帶來極大的安全隱患。若不對隱伏在地下的防空洞進行處理，后期會造成地面塌陷，導致建筑物開裂、結構受損。因此，需要精確查明隱伏防空洞的空間分布，優(yōu)化建筑設計方案，確保建筑物安全。

2 方法技術

2.1 電阻率成像方法

電阻率成像是以不同地質體的導電性差異為基礎，通過人工建立地下穩(wěn)定電場，進行異常體的探測[17]。該方法利用接地電極在地下建立穩(wěn)定電場，人工施加的直流電場與地質體相互作用發(fā)生變化。在地表采集供電電極AB之間的電流和測量電極MN之間的電壓變化(圖1(a))，通過反演計算得到地下地質體的空間位置及形狀[18]。穩(wěn)定電流場的建立滿足歐姆定律，由于測量的電壓和電流變化反映的是地下一定體積介質的電阻率特征，故稱為視電阻率[19]，用ρS表示，其計算公式可表示為：

(1)

其中,AM、AN、BM、BN分別為不同電極之間的距離，ΔUMN為電極M、N之間的電位差，I為供電電流。

圖1 電阻率成像原理示意圖

為了提高數(shù)據(jù)的采集效率，在實際應用中常采用高密度電阻率測量裝置(圖1(b))。高密度電阻率測量裝置在野外測量時，首先將幾十至上百根電極置于測點，然后利用微機控制電極轉換開關，實現(xiàn)電流和電壓數(shù)據(jù)的快速自動采集，并可實時對數(shù)據(jù)采集過程進行控制和處理，通過反演得到地下地質結構的視電阻率分布[20]。高密度電阻率測量裝置基于的物理原理與常規(guī)電阻率方法相同，但具有數(shù)據(jù)采集效率高、信息豐富、抗干擾強和減輕勞動強度等優(yōu)點[21]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

由于該地區(qū)地下防空洞建造年代久遠，局部地段可能已經發(fā)生了垮塌，而且該地區(qū)在探測前連降暴雨，推測地下防空洞內已充滿水。為了能高效地采集數(shù)據(jù)，提高反演結果的準確性，使用高密度電阻率測量裝置，采用電極間距為1 m的小極距布極方式對電壓和電流數(shù)據(jù)進行采集。儀器采用E60M型高密度電法工作站。高密度電阻率數(shù)據(jù)采集可選用多種裝置形式，如二極裝置、三極裝置、偶極裝置和溫納四極裝置等。由于溫納四極裝置具有縱向分辨率高、抗干擾能力強及定位準確等優(yōu)點[22]，因此，在探測過程中選用溫納四極裝置形式對數(shù)據(jù)進行采集。數(shù)據(jù)采集控制使用儀器配套的EMS2008高密度電法數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，同時用高精度GPS對測線位置進行定位。對采集的數(shù)據(jù)采用阻尼最小二乘法進行視電阻率的反演計算。

3 結果與分析

3.1 探測結果

為了充分認識含水防空洞的電阻率成像特征規(guī)律，這里選取L1、L2和L3三條典型視電阻率探測剖面進行分析解釋(見圖2)。如果防空洞內部充滿空氣，其電阻率成像為高阻異常，若防空洞內部充滿積水，則表現(xiàn)為低阻異常。但防空洞如果出現(xiàn)垮塌，其成像結果將變得復雜。為了對防空洞的電阻率成像特征進行定量解釋，我們結合鉆探對地下電阻率成像結果進行驗證。

圖2 防空洞電阻率成像結果

L1測線視電阻率剖面如圖2(a)所示，測線14.5 m處和23.0 m處分別存在S1和S2兩個低阻異常區(qū)。圖2(b)為反演得到的L2測線視電阻率剖面圖，可以看出L2測線在13.5 m、23.5 m、34.5 m和41.5 m處分別存在S3、S4、S5和S6局部低阻異常區(qū)。測線41.5 m處下方S6異常區(qū)，呈連通狀低阻異常區(qū)，視電阻率值為60～190 Ω·m，低阻異常延伸至地面，異常寬4 m，高9 m，異常中心深度為8.5 m，鉆探結果揭露其為局部垮塌的含水防空洞，內部充填淤泥和碎磚塊。圖2(c)為反演得到的L3測線下方視電阻率剖面圖。圖中顯示，在L3測線6.5 m、17.0 m和28.0 m處存在S7、S8和S9局部低阻異常區(qū)。

3.2 電阻率成像特征及成因分析

為了對比分析不同地質情況下的含水防空洞電阻率成像特征，對防空洞電阻率異常的水平和垂直位置、異常寬度和高度、電阻率變化范圍、洞內充填物及異常形狀等進行了統(tǒng)計，如表1。研究區(qū)防空洞電阻率成像為低阻異常，但視電阻率值的變化范圍和異常形狀在具體表現(xiàn)上有所差異。對不同測線的電阻率成像結果結合實際防空洞的位置和尺寸進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，含水防空洞通常呈矩形低阻異常。經過連續(xù)一周的抽水將洞體內部水排干后，對防空洞進行了挖掘，揭露的防空洞洞體高2 m，寬1.5 m，中心埋深為9 m。結合前期鉆探驗證結果可知，電阻率成像得到的低阻異常的中心位置與實際防空洞中心位置吻合較好。但視電阻率成像得到的防空洞的長度和寬度較實際防空洞數(shù)值偏大，這主要是因為受防空洞內部水體的滲透擴散影響，使得洞體周圍的巖石含水量增大，電阻率減小，從而使電阻率成像得到的防空洞邊界范圍偏大。對于充水的垮塌防空洞，其電阻率成像為連通的低阻異常區(qū)，低阻異?？裳由斓降乇怼＿@是由于防空洞垮塌后導致圍巖產生裂隙，這些裂隙有些貫穿至地表，在降雨后雨水通過地面裂隙流入防空洞，使得防空洞內部充水，形成連通低阻異常區(qū)。同時可以看出，含水防空洞的視電阻率變化范圍存在差異，這與防空洞內水和淤泥的含量有關。尤其是對于垮塌的防空洞，其電阻率成像呈連通的低阻異常區(qū)，給準確識別防空洞的位置帶來困難。因此，在利用電阻率成像對防空洞進行探測時，應結合鉆探對異常區(qū)進行驗證，避免發(fā)生漏探。

表1 防空洞電阻率成像異常特征統(tǒng)計表

4 結 論

(1)電阻率成像能夠較直觀地反映防空洞的空間位置。含水防空洞通常呈矩形低阻異常，低阻異常的中心位置與實際防空洞中心位置對應較好。受防空洞內部水體的滲透擴散影響，洞體圍巖的含水量增加，電阻率減小，電阻率成像得到的防空洞的邊界范圍較實際防空洞偏大。

2)垮塌的含水防空洞，其電阻率成像呈連通的低阻異常區(qū)，給準確識別防空洞位置帶來困難。防空洞內水和淤泥含量的差異影響視電阻率值的變化范圍。在利用電阻率成像方法對防空洞進行探測時，應結合鉆探對異常區(qū)進行驗證。鑒于地下防空洞分布的復雜性，可對防空洞進行三維電阻率成像探測，將有助于進一步提高防空洞平面展布的探測精度。