T-R综合物探技术在防空洞积水探测中的应用研究

胡华宗

（河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000）

早期修建的防空洞大部分放置多年，无人使用，现有的资料不全，一些防空洞无法找到入口。经过多年的放置，防空洞中存在积水，采用常规的探测方法无法精准获取防空洞的位置，在这种情况下无法完成基础建设[1]。可将综合探测方法应用到防空洞的积水探测中，由于受到地形复杂的影响，防空洞的物理场分布会出现较大的畸变，防空洞积水探测过程的首要任务是提高综合探测的整体分辨率。

综合物探方法是由2种或2种以上的方法构成的，目前国内外常用的综合物探方法通常包括地震波法、地质雷达法、直流充电法、瞬变电磁法和无线电磁波探测法等。T-R综合物探方法以其轻便、快捷的特点被广泛应用在煤矿、防空洞、隧道以及地下水等工程探测领域中。部分研究人员将综合物探方法应用在松山隧道探测中，推断了隧道洞口位于碎石和块石中，开挖时应加强边坡加固措施，推断了里程K28+945 m—K29+100 m区间，隧道位于强风化基岩中，里程K30+645 m—K31+360 m区间内，隧道位于裂隙发育带，开挖时应加强超前预报和支护工作[2]。一部分研究人员将综合物探方法应用在琼中地区地下水探测中，采用音频大地电磁测深和高密度电阻率法对海南省琼中县榕木村花岗岩区深部赋水断裂破碎带的位置、深度、规模和产状特征进行了探测[3]。而针对防空洞积水，一些学者将高密度点法引入瞬变电磁法中，首先分析了研究区域的特点，根据瞬变电磁法的探测结果，采用高密度点法确定积水区域的位置，在此基础上确定积水区域的范围，实现防空洞的积水探测[4-5]。

根据上述分析结果，提出T-R综合物探技术在防空洞积水探测中的应用研究方法。

1 T-R综合物探技术在积水探测中的应用

1.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法[6-7]在工作过程中容易受到空间的影响，因此大部分采用多匝小回线，工作装置通常包括3种：偶极装置、中心回线装置、重叠回线装置。不同装置在现场实测过程中存在各自的优点和缺点，根据现场施工环境、探测装备的特点以及探测任务的需求，选择相应的探测装置，探测结果也会受到增益、关断时间等参数的影响。在现场探测过程中，可根据探测环境确定一些参数，回线匝数和边长这两个参数需要根据任务要求和探测设施实际情况设定。

分析电磁波发射的方向性特征，采用瞬变电磁技术，根据分析结果多方位的探测防空洞的内部情况，探测方向即为线框平面中法线的方向[8-9]。在探测过程中，可根据环境调整线圈平面的方向，采用瞬变电磁法在防空洞中实行竖向探测，如图1所示。通过上述方式可在巷道中探测上、下2个方向的岩体岩性分布情况。如图2所示，将接收线框和发射线框以一定的角度放置于防空洞的巷道中。

根据上述探测方法，可在探测范围内获取防空洞巷道方顶板和下顶板岩石分布的大概情况。根据上述探测结果，结合防空洞的相关资料，可以确定富水异常区域在防空洞中的位置及范围。

（1）发射线框。供电电流设置为15 A，频率设置为16 Hz，测试240 m×240 m和160 m×160 m的发射线框，测试结果见表1。

图1 竖直方向探测Fig.1 Vertical detection

图2 倾斜方向探测Fig.2 Tilt direction detection

表1 瞬变电磁法发射线框V/I衰减对比结果Tab.1 Transient electromagnetic method emission wireframe V/I attenuation comparison results

分析表1中的数据可知，在测试中期，小线框发射信号的稳定性较差；在测试后期，小线框发射信号存在异常。对比测试结果可知，240 m×240 m的发射线框效果相对较好。

（2）发射频率。设置发射线框为240 m×240 m，供电电流为15 A，对8 Hz、16 Hz、32 Hz发射频率实行测试，测试结果见表2。由表2中的数据可知，8 Hz频率的发射线框容易受到噪声干扰，降低了信号的稳定性，16 Hz和32 Hz频率的发射线框受噪声干扰的影响较小。经调查发现，探测深度随着发射频率的增加而减小，即探测深度越深、发射频率越低，探测深度越浅、发射频率越高。为了满足分辨率需求，选用16 Hz作为发射线框的探测发射频率。

表2 不同发射频率测试结果Tab.2 Test results of different emission frequencies

1.2 无线电磁波探测法

分析无线电磁波探测法[10-11]的施工方式、接收部分硬件结构以及数据处理方式发现，该方法与传统电磁波透视探测方法之间存在较多差异。采用无线电磁波探测法探测防空洞积水情况时，需要考虑施工环境和探测条件，针对不同的施工方法对应着不同的钻孔设计方式。

防空洞积水探测无法利用传统的电磁波投射方式完成，在常规钻孔规格的基础上完成钻孔天线的设计，如图3所示。

采用无线电磁波探测法探测防空洞积水情况时，在已施工的钻孔中布置电磁接收天线[12-13]。防空洞中通常存在地质孔、探放水钻孔以及瓦斯钻孔，钻孔的类型不同对应的特点也不相同。

瓦斯钻孔在防空洞中起到抽放瓦斯的作用，该钻孔的直径比其他钻孔大；探放水钻孔可以在防空洞中完成超前探放水，直径小于瓦斯钻孔；地质钻孔的大小与探放水钻孔相差较小，在防空洞中主要负责探测地质。

图3 接收天线Fig.3 Receive antenna

根据钻孔的特点，设计以下2种无线电磁波探测布置方法。

（1）为了获取磁感应信号，可将接收天线平行放置于防空洞的巷道中，发射线圈在防空洞巷道中发射电磁感应信号，放置于钻孔中的接收天线可接收反射的电磁感应信号[14-15]。具体探测情况如图4所示。

图4 与巷道平行钻孔Fig.4 Drilling parallel to the roadway

（2）将接收天线布置在与巷道垂直的钻孔中，获取磁感应信号，在巷道中发射线圈的主要目的是发射信号，在钻孔中接收天线可以获取信号。具体探测情况如图5所示。

1.3 T-R综合物探技术

T-R综合物探技术结合了瞬变电磁法和无线电磁波探测法的优点，针对浅埋地质体，优化无线电磁波频率，提高无线电磁波探测法的整体分辨能力，实现防空洞积水探测。具体流程如图6所示。

图5 与巷道垂直钻孔Fig.5 Drilling vertically with the roadway

图6 防空洞积水探测的具体流程Fig.6 Specific flow of water detection in air raid shelter

2 应用实例

为了验证本文方法的有效性，选取郑州市西部城区防空洞为实验对象（图7），防空洞埋藏深度在地下7 ～ 10 m，洞高一般在 1 ～ 2 m，宽约1.2 m。工作区内在深度 0 ～ 20 m内主要为低液限黏土及粉质黏土。防空洞埋深一般在 7～10 m，由于建筑基础开挖深度约4 m，因此，本工区的防空洞顶面埋深在 3.7 m。采用T-R综合物探技术对如下防空洞积水情况探测。

瞬变电磁法和无线电磁波探测法分别采用国产YCS-11型瞬变电磁仪[16-17]和WKT-E型无线电波坑道透视仪（图8）。

图7 探测目标Fig.7 Detection target

图8 探测设备Fig.8 Detection equipment

在研究区域内利用上述设备根据下述测点分布（图9），测试防空洞内的积水情况。

图9 测点分布Fig.9 Distribution map of measuring points

采用T-R综合物探技术获得的探测结果见表3、表4。由表3中的数据可知，随着时间的增长，以上2个测点处的归一化电压呈下降趋势，在测试结束时，归一化电压低于0.1 μV/A；随着时间的增长，2个测点处的归一化电压下降速度有所减慢。针对测点归一化电压和时间变化之间的关系，可通过负指数函数进行表示。对比2个测点的归一化电压可以发现，在相同时间段内40号测点处的归一化电压一直低于8号测点处的归一化电压，表明8号测点属于相对低阻点，其电压下降速度较慢。分析表4中的数据可知，随着频率的增加，2号测点和11号测点处的视电阻率不断增大[18-20]。

表3 TEM-1Tab.3 TEM-1

表4 RWP-1Tab.4 RWP-1

采用T-R综合物探技术获得不同测区剖面的视电阻率断面图，如图10所示。

由图10（a）可知，平面上3～12 m、深度1.5～3.5 m 内，等值线出现了向上开口的高阻、密集半闭合圈，经分析推测该异常应为地下防空洞积水引起，具体为：长度在3.5～11.0 m、深度1.5～3.0 m、宽约1.5 m的较长空洞。由图10（b）可以看出，有2个向上开口的高阻半闭合圈异常：①11～14 m、深度1.0～1.8 m内；②20.0～22.3 m间、深度1.0～2.1 m内，经分析推测2个异常均为地下空洞积水引起。后经人工探槽开挖证实，该防空洞积水与物探推测结果基本一致。

通过上述分析可知，采用T-R综合物探技术可有效完成防空洞积水探测。

3 结语

利用T-R综合物探技术进行防空洞积水探测可知，平面上3～12 m、深度1.5～3.5 m内出现了异常现象，是由地下防空洞积水引起。

图10 不同测区剖面的视电阻率断面Fig.10 Apparent resistivity section of sections in different survey areas

经验证，结合瞬变电磁法和无线电磁波探测法是切实可行的，可获取防空洞的分布情况，划分防空洞的积水区域，完成防空洞积水探测，为类似工程提供了分析思路和技术手段，具有借鉴意义。虽然本文技术的探测精度较高，但是由于综合物探方法是由2种或2种以上的方法构成的，进行防空洞积水探测的时间较长，因此，在接下来的研究中对技术进行改进，旨在提高探测效率。