防空洞物探方法探测效果对比分析*

李 亮，汶小岗，2，王 辉，乔 会

(1.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710026)

0 引言

西安市东郊某厂区建筑施工前期，需对建筑工地是否存在未知防空洞进行探测。地下空洞探测国内外主要是以地质调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等[1]。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平[2]。近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用的比较多，特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好。欧洲等国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等，英、法等国家地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也在使用[3]。结合不同方法的应用场景和工程实际，本次防空洞探测采用浅层地震勘探[4-5]、高密度电法[6]和微动探测[7-8]3种物探方法。

1 地质概况

1.1 地层

据勘探揭露，场地地层自上而下依次由人工填土(Q4ml)、第四系上更新统风积(Q3eol)黄土，冲积(Q3al)中砂、卵石、粉质黏土、圆砾，第四系中更新统(Q2al)粉质黏土、圆砾等构成。人工填土的厚度约8.0 m，黄土厚度约12.0 m，冲积层厚度约40.0 m。

1.2 地下水

据已知资料，本区域量测的稳定水位深度为17.6～22.1 m，相应高程为395.67～397.49 m，地下水属潜水类型。据有关文献资料，拟建场地地下水位年变化幅度约为2.0 m。

2 地球物理条件

由于施工区域表层为回填土且密实性较差，回填土厚度约8.0 m，回填土对地震波吸收衰减强烈。施工区域地下稳定水位深度约17.6 m，浅层地层因雨水等地表水导致局部存在潜水。地表因拆除房屋导致地表不平整，废弃混凝土块体散落等原因导致物探施工大线布设较困难。防空洞内部为空气或水充填，防空洞围岩与空气或水之间存在明显物性差异，且工区位于城区，周围环境噪声较强。综上所述，施工区域地球物理条件属于复杂区，但具备进行地球物理探测的前提条件。

3 测线布置和数据采集

3.1 测线布置

根据任务要求和工区内的实际地形条件，测线方向基本垂直于防空洞，大概走向呈NW向，浅层地震测线与高密度电法重合，测线布设总5条(编号D1～D5)。在浅层地震数据采集结束后，及时对资料进行处理发现浅层反射地震时间剖面约60 ms附近存在明显反射波，结合工勘钻孔，认为该层位是浅层浮土与砂层分界面。防空洞位于该层位以浅，而浅层反射地震资料信噪比低，不满足防空洞解释。为了更好地完成本次勘探地质任务，采用微动探测进行补充，微动探测测线与浅层反射地震测线重合。

3.2 数据采集

3.2.1 浅层地震

考虑到工区内外部干扰大，目标体空间尺度小，地质任务要求精度高，本次浅层地震工作采用80道固定排列观测系统，道距1 m，炮距2 m，最大叠加次数为40次。仪器采用法国428XL数字地震仪，采样率0.5 ms，记录长度1 000 ms。激发方式为锤击法，锤击叠加次数为5次。接收采用5个串联的60 Hz检波器点式组合。

为评述浅层地震数据采集质量，随机调出了部分测线中的个别原始单炮记录，就此对地震记录品质情况作简要说明。D3测线部分原始单炮记录面貌及其波场信息图，如图1所示。由图可见，记录中折射波、反射波以及面波信息容易识别，波场特征比较清晰。面波能量所出现的区间(时间和空间)，已被有效隔阻在主要目的层时间段之外，由此说明所采集的地震数据具有较高质量。

图1 D3测线地震原始记录面貌及其波场信息Fig.1 Original seismic records and wave field information of survey line D3

3.2.2 高密度电法

高密度电法属于电阻率法，是一种剖面法和电测深法的组合式的剖面装置，对地电结构具有一定的成像功能，是基于地层内的目标体与围岩存在电性差异为前提的探测方法。它是将直流电经由地表供入地下，随供电极距的加大，电流场向地下的分布深度逐渐加大，目标体与围岩存在电性差异会被测量电极在地表捕获，从而获得目标体在横、纵方向上的电阻率值变化信息。高密度电法采用密集的电极排列进行纵横向连续数据采集，可获得丰富的地质信息，该方法可了解排列段下地层电性的纵、横向变化，兼有电剖面法、电测深法的地质信息。高密度电法使用仪器为重庆奔腾数控研究所生产的WDJD-3型多功能数字式直流电法仪。该仪器具有抗干扰能力强、仪器操作简单、保真性强。整个野外工作期间，仪器性能稳定，状态良好，确保了野外数据采集工作的质量。高密度电法采用温纳装置，为获得更多的信息，采用1 m电极间距观测，电极数60个，剖面数N为19。野外观测时，每个排列的观测始末均对仪器和多路转换器的电源电压进行测量，当仪器电源电压低于规定时，及时更换电池。对观测中出现的误差较大的点，均在现场查明原因并进行了及时处理，必要时对其进行重复观测。数据采集严格按相关技术规范、规程执行。

3.2.3 微动探测

微动探测方法无需人工源，不受外界电磁干扰和场地的环境干扰影响，对施工周围环境没有影响，仪器设备轻便，探测成本低、效率高。相较传统的物探方法，微动探测技术具有对周围环境影响小，施工方便等优点，在不便施工或对环境保护要求高的区域，具备独有优势。然而，受现有的技术方法限制，微动探测主要用以估算深部S波速度结构及探测深部构造。在城市环境中用微动探测方法解决浅部地质问题，诸如基岩埋深与起伏形态调查、隐伏断裂、活断层、地裂缝、岩溶、空洞等地质异常体的探测。本次微动数据采集仪器使用DTCC公司的SmartSolo无线节点仪器，该仪器具有灵敏度高，抗干扰能力强等特点，满足此次微动数据采集要求。本次微动探测观测系统采用多个连续的三重圆型排列进行观测，三重圆排列布设观测示意图，如图2所示，三重圆半径分别为2.5 m、5 m、10 m，多个测点组成一条测线，采样间隔1 ms，连续记录1 h。采集期间对周围进行警戒，保证采集期间无人为干扰，本次微动探测采集原始数据图，如图3所示。

图2 三重圆排列布设观测示意Fig.2 Observation of triple circle arrangement

3.3 数据处理与解释

3.3.1 浅层地震数据处理与解释

浅层反射地震数据处理主要使用工作站系统，其基本流程如图4所示，主要处理内容有数据解编、道编辑、振幅与频率补偿、数字滤波、静校正、速度分析、动校正、水平叠加、叠后去噪等环节。图5为D5测线对应地震时间剖面。从各时间剖面图中可看出时间剖面约60 ms附近存在明显反射波同相轴且能量较强，认为该层位为浅层浮土与砂层分界面，浮土与砂层存在明显的波阻抗差异，具备形成强能量反射波前提。而防空洞位于该层位以浅，浅层反射资料信噪比低不满足防空洞探测要求。因此，浅层反射地震仅做防空洞探测的辅助解释资料。

图3 微动探测采集原始数据Fig.3 Raw data collection of fretting detection

图4 浅层地震数据处理基本流程Fig.4 Basic flow of shallow seismic data processing

3.3.2 高密度电法数据处理与解释

高密度电法野外观测数据经通信进入计算机后，经过BTRC程序转换成可供RES2DINV程序和Surfer程序应用的数据格式，资料解释主要依据RES2DINV程序的反演计算结果，进行综合分析对比，剔除因地形或电极周围的局部不均匀体所引起的干扰异常，去伪存真，根据区内地层的电性特征[9]，选择合理的等值线间隔和色彩，最终形成地质解释剖面示意图。剖面纵轴为地面向下埋深，横轴为点号，色标为反演模型视电阻率值。最后将反演计算结果保存为图像文件形式，打印装订成册，供室内解释。总之，资料解释中应由定性到定量、用定性指导定量、而定量又进一步深化定性认识、反复推断，最终将电法成果转化为地质成果。

图5 D5测线地震时间剖面Fig.5 Seismic time profile of survey line D5

由于区内防空洞，在顺地层水平方向上局部地段出现不充水或充水不足空洞时，则该区域导电性变差，表现为高阻异常，当以充水空洞形式存在时，由于水体良好的导电性，使该地段电阻率明显低于围岩[10]。本区地表沙层因其干湿度不同，电性较为复杂，本区稳定水位深度为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较差，本次以相对高阻在各测线视电阻率断面图中圈定防空洞异常区(图6为D5测线高密度电法等视电阻率断面图)，经分析，与实际防空洞位置较为吻合。

图6 D5测线高密度电法等视电阻率断面Fig.6 Equal apparent resistivity section of high-density electrical method of survey line D5

3.3.3 微动探测数据处理与解释

微动探测数据采集结束，首先对微动数据使用自编软件进行数据整理，截取有效长度的数据进行计算，然后按照观测系统台站布设方式对数据重新进行整理排序，集合成为一个数据进行处理。对微动探测数据进行分段处理，本次截取16 min长度数据，对该数据进行筛选，剔除明显干扰道的数据，选取有效道数据。对数据进行选择后，选择扩展空间自相关法，即ESPAC法[10-11]，对微动数据进行处理，给定最大速度及速度增量，然后给定最大频率及频率增量，可根据频率谱来确定数据的有效频带范围，如图7所示。然后对该数据进行时间分段处理，同时剔除该数据中强干扰信号，该时间段的信号不参与数据处理，各时段的频谱如图8所示，对于干扰严重的时段可以在处理时不采用。

图7 微动数据频率谱Fig.7 Frequency spectrum of fretting data

将各接收点数据按照三重圆台阵排列方式进行组合，对数据进行时间分段，将数据中的干扰信息时段进行剔除后，使用ESPAC法对台阵组合数据进行频散谱提取，得到的频散谱、频散曲线及S波速度图[12]，如图9所示。由于防空洞的存在，在S波速度剖面上表现为低速异常[13]，根据这一特征对测线进行解释，与实际防空洞位置对应吻合。

图9 D5测线微动探测频散谱、频散曲线及S波速度剖面Fig.9 Dispersion spectrum，dispersion curve and S-wave velocity of fretting detection in line D5

通过对比浅层地震法、高密度电法及微动探测法在查找防空洞中的效果，发现浅层地震法在防空洞探查的效果较差，无法单独满足勘探要求，但可以为别的方法提供一定的参考。微动探测法与高密度电法的效果较好，可以满足勘探要求。

4 结论

(1)针对工区防空洞探测分别进行了浅层地震勘探、高密度电法勘探和微动探测，由于工区位于城区，地震勘探数据资料信噪比低不满足防空洞探测要求。

(2)高密度电法勘探和微动探测成果与真实防空洞位置吻合度较好，可为防空洞勘探提供借鉴，在进行防空洞勘探时，最好同时采用高密度电法勘探和微动探测结合，降低物探成果多解性。