超高密度电法在地下空洞勘探中的应用

崔玉成 刘爱明

(1．山西晋城路桥有限公司，山西 晋城 048000; 2．山西平阳路桥有限公司，山西临汾 041000)

0 引言

超高密度法是由澳大利亚ZZ Resistivity Imaging研发中心最新研制成功的——FlashRES 64多通道 地面/井地/井井 直流电法勘探系统。

超高密度法与常规高密度法相比，极大地提高了勘探效率，且取得了真电阻率剖面。

1 超高密度电法原理及仪器系统简介

1．1 超高密度电法勘探原理

超高密度直流电法勘探方法，同以往电法原理相同均是在人工直流电场的作用下，地表电场分布与地下岩体、土体的电阻率分布相关的基本原理，但又不同于以往直流电法勘探，有以下几方面的特点:

1)超高密度电法打破了以往电法勘探中数据采集装置的限制，而采用自由无限制的任何四极的组合方式来采集数据，故超高密度方法可采集到几十倍与常规电法数据采集装置采集不到的数据。例如一个64根电极的排列中，以往常规电法勘探的数据采集方式仅可采到1 000多个数据，而超高密度电法，则可采集到6万多个数据。如此大的数据量极大地提高了反演结果的准确性和可靠性。

2)超高密度电法彻底的抛弃了传统视电阻率的概念。由于采集的数据量是常规电法的几十位，通过反演技术直接反演成真电阻率剖面图。该剖面图可以直接作为岩土体分布规律解释的依据。

3)超高密度电法不同于其他电法仪器，采用61道道技术，常规仪器大多为16道。这样就可以把采样效率提高几百倍，从而使真电阻率剖面的取得成为可能。

4)超高密度电法系统可以做井—井间、地面、井—地间电法勘探。

1．2 超高密度电法勘探仪器简介

1)系统组成:FlashRES 64多通道 超高密度 地面/井地/井井直流电法勘探系统主要由以下六大部分组成:a．仪器主机箱;b．便携式计算机;c．电缆;d．电极;e．数据采集控制软件;f．数据处理和反演成像系统(见图1)。

图1 超高密度电法勘探仪器

2)主要技术指标:a．接收部分:电极:64个;电压通道数:61;输入阻抗:＞107 Ω;测量精度:＜0．5% ＜1 bit;对50 Hz工频干扰压制: ＞80 dB。b．发射部分:三种供电电压:30 V，90 V，250 V;电流:＜3 A。c．其他:电缆:两根带有32个电极的多芯电缆;工作温度:－20℃～+50℃;工作湿度:95%RH;仪器电源:12 V电瓶;重量:4．5 kg;体积:350 mm×300 mm×150 mm。

2 超高密度电法勘探系统的主要用途

1)在桥梁、隧道等大型工程的详勘中，用于场地地质构造、地层结构、不良地质现象等的物探勘查;

2)在公路、铁路路基施工过程中，用于找寻路基下的岩溶、采空区空洞等空洞的检测工程质量;

3)在金属矿山巷道内探测巷道四周围岩及两条巷道间的矿藏的分布;

4)在场地基坑开挖后探测地下空洞，如采空区、岩溶、防空洞、墓穴等;

5)用于采空区、水坝等注浆效果的质量检测。

3 地下空洞勘探实例

某单位新建指挥中心，由于在建设其他工程时发现有人防工程，且本工程在帷幕及基坑开挖过程中发现有疑似地下防空洞，为确保指挥中心基础的安全可靠，需查明地下防空洞的分布深度以及展布方向，受建设单位委托我公司于2012年10月20日进入该指挥中心施工现场展开地下防空洞的物探及验证工作，外业工作于10月24日结束，资料整理及其他内业工作于10月27日结束。

3．1 工程概况

本工程由一栋5层办公楼和地下车库组成，占地面积约1 500 m2。现基坑已开挖至天然地面下约7．4 m，基坑东西向约65 m，南北向约48 m。

3．2 场地地质情况

根据本场地岩土工程勘察报告，场地地层由上至下主要为①层杂填土，②层粉土，③层粉质粘土，④层粉土，⑤层中粗砂、粉土、角砾。勘探深度约25 m。

地下水位 －24．58 m ～ －26．33 m。

3．3 物探方法的选择及完成的工作量

根据我单位前期对场地的踏勘情况，如果存在地下防空洞，则地下防空洞的埋藏深度约为15 m，地质雷达勘探深度无法满足此要求，并且由于场地狭窄，基坑已开挖深达7．4 m，采用常规高密度法无法满足勘探范围以及深度的要求，故我们采用了超高密度电法勘探，它所测得的大量数据利用现代的反演技术直接反演成真电阻率剖面图。此图可直接用于地下岩土分布的分析和解释。

共完成测线11条，测点662个，具体测线布设见图2。

图2 指挥中心物探测线、物探验证孔布设及物探成果平面布置示意图

3．4 物探异常区钻探验证及完成工作量

10月22日我公司提交初步物探报告后，建议对物探高阻异常区布设钻孔进行验证，经委托方同意后，我公司于10月23日～10月24日完成了钻探验证，共布设钻孔8个，钻探进尺122．1 m，孔位见图2。

3．5 勘查对象地球物理前提分析

综合分析本场地附近介质的电性情况，认为如果存在地下防空洞，则与周围土及砂之间存在较明显的电性(如电阻率或电导率等)差异，表现为高电阻率异常，这为该工区进行超高密度电法勘查工作寻找人防空洞提供了良好的地球物理前提。

3．6 数据处理与资料解释

利用超高密度直流电法勘探系统配置的处理软件，处理后生成的结果文件，可以用Surfer软件打开，利用Surfer软件可以绘制真电阻率剖面图，得到真电阻率剖面图可以直接为地质勘察人员使用，并与其他勘察资料比对。

3．7 超高密度电法探测结果异常解释

综合分析所测11条测线所发现的异常，存在明显的高阻异常，电阻率值150 Ω·m～300 Ω·m，而一般地下水位以下粉土、砂视电阻率在50 Ω·m或以下，异常较为明显，异常深度分布在基坑底面以下9 m～11 m，所有异常基本在同一高程上，水平宽度3 m～6 m，为局部独立异常，各测线异常具有相关性和相对连续性，异常呈条带分布，再根据先前的地勘资料，在物探异常对应深度是粉土，再结合以往的经验，在粉土内出现高阻异常，存在人工建筑的可能性很大。

典型电阻率剖面图见图3。

图3 超高密度电法探测图

3．8 钻探验证

为进一步确定物探异常的性质，在物探异常区布设钻孔8个，其中6个钻孔有掉钻现象，掉钻深度9．5 m～10．1 m，2个钻孔在9．3 m左右发现钻探进尺快，土样松散的现象。钻探验证结果表明，物探高阻异常为地下防空洞。

4 结语

本次超高密度电法勘探取得了良好的野外数据，超高密度电法电阻率反演剖面图反映出物探异常区为高阻异常，与背景之间电性差异明显，异常清晰，并与钻探验证结果相吻合。

超高密度法在物探勘探过程中具有勘探效率高，受场地条件制约小，解译结果为真电阻率剖面图易于与现场实际条件比对等优点，是一种经济、可靠的勘探手段。