隐伏含水防空洞小极距电阻率成像特征研究

王明明，耿德祥，穆路谦，卢婧怡，周 正，穰 浩

1.宿州学院资源与土木工程学院,安徽宿州,234000；2.湖北省地质局地球物理勘探大队,湖北武汉,430056

20世纪六七十年代，很多城市城区建设了大量的防空洞。这些防空洞在地下呈纵横交错多分支分布，埋深大，空间结构复杂。废弃的地下防空洞，为密闭空间，空气无法自由流通，洞内缺少氧气，并可能存在有毒性气体[1]。尤其建筑年代久远的防空洞，由于年久失修，防空洞内可能有积水、淤泥和塌方，一般情况下，人员和设备无法进入洞内进行勘察[2]。而地球物理方法可根据地下目标体与围岩的物性差异在地面进行探测，通过反演计算获得地下目标体的位置、大小和埋深等参数[3]。常用的地球物理探测方法有电阻率成像、地质雷达、瑞雷面波和地面磁法等[4]，其中电阻率成像方法因其采集的数据信息丰富、分辨率高、受地形影响小等优势，被广泛应用于工程勘察领域。如水库渗漏隐患探测[5]、矿井含水构造探测[6]、道路沉陷坑探测[7]、地铁岩溶隐患探测[8]、滑坡体探查[9]等。在防空洞探测方面，罗有春等[10]采用电阻率成像对防空洞进行探测，取得较好效果，发现该方法虽有体积效应，但最小电极距决定其空间分辨率。柴承平等[11]利用电阻率成像方法对中国科学技术大学东校区内防空洞进行探测，确定了其位置和埋深。郭厚军和张国鸿等采用不同装置类型对防空洞的电阻率成像效果进行了对比[12]。Ainsworth等[13]利用电阻率成像方法对英国二战时期的防空洞进行探测，并与地质雷达探测结果进行了比较。羊德起等[14]针对无水防空洞进行了电阻率成像试验，分析了其高阻异常响应特点。虽然前人采用电阻率成像方法对防空洞开展了大量的探测和试验工作，验证了该方法的有效性，但是针对防空洞成像特征方面的研究较少。尤其是对于含水防空洞的电阻率成像特征辨识，仍缺少规律性总结。

研究以合肥市瑶海区某房地产建设项目隐伏防空洞勘察为例，采用小极距电阻率成像方法，研究隐伏含水防空洞的电阻率成像特征，为利用电阻率成像方法精确探测含水防空洞的空间位置提供参考。

1 测区概况

测区位于合肥市瑶海区铜陵路、片塘路、来安路和长江东大街环绕区域。瑶海区位于合肥市东部，是合肥市四大老城区之一。气候上属于亚热带湿润季风气候，春夏季降雨量大，占全年降雨量的2/3[15]。在地质构造上，该地区处于燕山期断陷盆地之中，地层上部为第四纪松散沉积物，主要形成于中、晚更新世，受地质构造运动和地表水对沉积岩的侵蚀、风化作用影响[16]。探测区地表为黄褐色黏土，工程地质上以黏性土、膨胀土为主。测区防空洞修建于20世纪70年代且早已被废弃。该区域将要修建高层住宅，对于地基的承载力要求较高，如果桩基经过防空洞，其结构和稳定性必然会受到影响。测区无施工图纸，使得防空洞的空间位置目前已无法判断，给工程建设带来极大的安全隐患。若不对隐伏在地下的防空洞进行处理，后期会造成地面塌陷，导致建筑物开裂、结构受损。因此，需要精确查明隐伏防空洞的空间分布，优化建筑设计方案，确保建筑物安全。

2 方法技术

2.1 电阻率成像方法

电阻率成像是以不同地质体的导电性差异为基础，通过人工建立地下稳定电场，进行异常体的探测[17]。该方法利用接地电极在地下建立稳定电场，人工施加的直流电场与地质体相互作用发生变化。在地表采集供电电极AB之间的电流和测量电极MN之间的电压变化(图1(a))，通过反演计算得到地下地质体的空间位置及形状[18]。稳定电流场的建立满足欧姆定律，由于测量的电压和电流变化反映的是地下一定体积介质的电阻率特征，故称为视电阻率[19]，用ρS表示，其计算公式可表示为：

(1)

其中,AM、AN、BM、BN分别为不同电极之间的距离，ΔUMN为电极M、N之间的电位差，I为供电电流。

图1 电阻率成像原理示意图

为了提高数据的采集效率，在实际应用中常采用高密度电阻率测量装置(图1(b))。高密度电阻率测量装置在野外测量时，首先将几十至上百根电极置于测点，然后利用微机控制电极转换开关，实现电流和电压数据的快速自动采集，并可实时对数据采集过程进行控制和处理，通过反演得到地下地质结构的视电阻率分布[20]。高密度电阻率测量装置基于的物理原理与常规电阻率方法相同，但具有数据采集效率高、信息丰富、抗干扰强和减轻劳动强度等优点[21]。

2.2 数据采集

由于该地区地下防空洞建造年代久远，局部地段可能已经发生了垮塌，而且该地区在探测前连降暴雨，推测地下防空洞内已充满水。为了能高效地采集数据，提高反演结果的准确性，使用高密度电阻率测量装置，采用电极间距为1 m的小极距布极方式对电压和电流数据进行采集。仪器采用E60M型高密度电法工作站。高密度电阻率数据采集可选用多种装置形式，如二极装置、三极装置、偶极装置和温纳四极装置等。由于温纳四极装置具有纵向分辨率高、抗干扰能力强及定位准确等优点[22]，因此，在探测过程中选用温纳四极装置形式对数据进行采集。数据采集控制使用仪器配套的EMS2008高密度电法数据采集软件系统，同时用高精度GPS对测线位置进行定位。对采集的数据采用阻尼最小二乘法进行视电阻率的反演计算。

3 结果与分析

3.1 探测结果

为了充分认识含水防空洞的电阻率成像特征规律，这里选取L1、L2和L3三条典型视电阻率探测剖面进行分析解释(见图2)。如果防空洞内部充满空气，其电阻率成像为高阻异常，若防空洞内部充满积水，则表现为低阻异常。但防空洞如果出现垮塌，其成像结果将变得复杂。为了对防空洞的电阻率成像特征进行定量解释，我们结合钻探对地下电阻率成像结果进行验证。

图2 防空洞电阻率成像结果

L1测线视电阻率剖面如图2(a)所示，测线14.5 m处和23.0 m处分别存在S1和S2两个低阻异常区。图2(b)为反演得到的L2测线视电阻率剖面图，可以看出L2测线在13.5 m、23.5 m、34.5 m和41.5 m处分别存在S3、S4、S5和S6局部低阻异常区。测线41.5 m处下方S6异常区，呈连通状低阻异常区，视电阻率值为60～190 Ω·m，低阻异常延伸至地面，异常宽4 m，高9 m，异常中心深度为8.5 m，钻探结果揭露其为局部垮塌的含水防空洞，内部充填淤泥和碎砖块。图2(c)为反演得到的L3测线下方视电阻率剖面图。图中显示，在L3测线6.5 m、17.0 m和28.0 m处存在S7、S8和S9局部低阻异常区。

3.2 电阻率成像特征及成因分析

为了对比分析不同地质情况下的含水防空洞电阻率成像特征，对防空洞电阻率异常的水平和垂直位置、异常宽度和高度、电阻率变化范围、洞内充填物及异常形状等进行了统计，如表1。研究区防空洞电阻率成像为低阻异常，但视电阻率值的变化范围和异常形状在具体表现上有所差异。对不同测线的电阻率成像结果结合实际防空洞的位置和尺寸进行统计分析后发现，含水防空洞通常呈矩形低阻异常。经过连续一周的抽水将洞体内部水排干后，对防空洞进行了挖掘，揭露的防空洞洞体高2 m，宽1.5 m，中心埋深为9 m。结合前期钻探验证结果可知，电阻率成像得到的低阻异常的中心位置与实际防空洞中心位置吻合较好。但视电阻率成像得到的防空洞的长度和宽度较实际防空洞数值偏大，这主要是因为受防空洞内部水体的渗透扩散影响，使得洞体周围的岩石含水量增大，电阻率减小，从而使电阻率成像得到的防空洞边界范围偏大。对于充水的垮塌防空洞，其电阻率成像为连通的低阻异常区，低阻异常可延伸到地表。这是由于防空洞垮塌后导致围岩产生裂隙，这些裂隙有些贯穿至地表，在降雨后雨水通过地面裂隙流入防空洞，使得防空洞内部充水，形成连通低阻异常区。同时可以看出，含水防空洞的视电阻率变化范围存在差异，这与防空洞内水和淤泥的含量有关。尤其是对于垮塌的防空洞，其电阻率成像呈连通的低阻异常区，给准确识别防空洞的位置带来困难。因此，在利用电阻率成像对防空洞进行探测时，应结合钻探对异常区进行验证，避免发生漏探。

表1 防空洞电阻率成像异常特征统计表

4 结 论

(1)电阻率成像能够较直观地反映防空洞的空间位置。含水防空洞通常呈矩形低阻异常，低阻异常的中心位置与实际防空洞中心位置对应较好。受防空洞内部水体的渗透扩散影响，洞体围岩的含水量增加，电阻率减小，电阻率成像得到的防空洞的边界范围较实际防空洞偏大。

2)垮塌的含水防空洞，其电阻率成像呈连通的低阻异常区，给准确识别防空洞位置带来困难。防空洞内水和淤泥含量的差异影响视电阻率值的变化范围。在利用电阻率成像方法对防空洞进行探测时，应结合钻探对异常区进行验证。鉴于地下防空洞分布的复杂性，可对防空洞进行三维电阻率成像探测，将有助于进一步提高防空洞平面展布的探测精度。