王明明，耿德祥，穆路謙，盧婧怡，周 正，穰 浩

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

20世紀(jì)六七十年代，很多城市城區(qū)建設(shè)了大量的防空洞。這些防空洞在地下呈縱橫交錯(cuò)多分支分布，埋深大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。廢棄的地下防空洞，為密閉空間，空氣無(wú)法自由流通，洞內(nèi)缺少氧氣，并可能存在有毒性氣體[1]。尤其建筑年代久遠(yuǎn)的防空洞，由于年久失修，防空洞內(nèi)可能有積水、淤泥和塌方，一般情況下，人員和設(shè)備無(wú)法進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行勘察[2]。而地球物理方法可根據(jù)地下目標(biāo)體與圍巖的物性差異在地面進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)反演計(jì)算獲得地下目標(biāo)體的位置、大小和埋深等參數(shù)[3]。常用的地球物理探測(cè)方法有電阻率成像、地質(zhì)雷達(dá)、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(shì)，被廣泛應(yīng)用于工程勘察領(lǐng)域。如水庫(kù)滲漏隱患探測(cè)[5]、礦井含水構(gòu)造探測(cè)[6]、道路沉陷坑探測(cè)[7]、地鐵巖溶隱患探測(cè)[8]、滑坡體探查[9]等。在防空洞探測(cè)方面，羅有春等[10]采用電阻率成像對(duì)防空洞進(jìn)行探測(cè)，取得較好效果，發(fā)現(xiàn)該方法雖有體積效應(yīng)，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(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)東校區(qū)內(nèi)防空洞進(jìn)行探測(cè)，確定了其位置和埋深。郭厚軍和張國(guó)鴻等采用不同裝置類型對(duì)防空洞的電阻率成像效果進(jìn)行了對(duì)比[12]。Ainsworth等[13]利用電阻率成像方法對(duì)英國(guó)二戰(zhàn)時(shí)期的防空洞進(jìn)行探測(cè)，并與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。羊德起等[14]針對(duì)無(wú)水防空洞進(jìn)行了電阻率成像試驗(yàn)，分析了其高阻異常響應(yīng)特點(diǎn)。雖然前人采用電阻率成像方法對(duì)防空洞開(kāi)展了大量的探測(cè)和試驗(yàn)工作，驗(yàn)證了該方法的有效性，但是針對(duì)防空洞成像特征方面的研究較少。尤其是對(duì)于含水防空洞的電阻率成像特征辨識(shí)，仍缺少規(guī)律性總結(jié)。

研究以合肥市瑤海區(qū)某房地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)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(cè)含水防空洞的空間位置提供參考。

1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于合肥市瑤海區(qū)銅陵路、片塘路、來(lái)安路和長(zhǎng)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(rùn)季風(fēng)氣候，春夏季降雨量大，占全年降雨量的2/3[15]。在地質(zhì)構(gòu)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(jì)松散沉積物，主要形成于中、晚更新世，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地表水對(duì)沉積巖的侵蝕、風(fēng)化作用影響[16]。探測(cè)區(qū)地表為黃褐色黏土，工程地質(zhì)上以黏性土、膨脹土為主。測(cè)區(qū)防空洞修建于20世紀(jì)70年代且早已被廢棄。該區(qū)域?qū)⒁藿ǜ邔幼≌?，?duì)于地基的承載力要求較高，如果樁基經(jīng)過(guò)防空洞，其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性必然會(huì)受到影響。測(cè)區(qū)無(wú)施工圖紙，使得防空洞的空間位置目前已無(wú)法判斷，給工程建設(shè)帶來(lái)極大的安全隱患。若不對(duì)隱伏在地下的防空洞進(jìn)行處理，后期會(huì)造成地面塌陷，導(dǎo)致建筑物開(kāi)裂、結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方案，確保建筑物安全。

2 方法技術(shù)

2.1 電阻率成像方法

電阻率成像是以不同地質(zhì)體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)人工建立地下穩(wěn)定電場(chǎng)，進(jìn)行異常體的探測(cè)[17]。該方法利用接地電極在地下建立穩(wěn)定電場(chǎng)，人工施加的直流電場(chǎng)與地質(zhì)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(cè)量電極MN之間的電壓變化(圖1(a))，通過(guò)反演計(jì)算得到地下地質(zhì)體的空間位置及形狀[18]。穩(wěn)定電流場(chǎng)的建立滿足歐姆定律，由于測(cè)量的電壓和電流變化反映的是地下一定體積介質(zhì)的電阻率特征，故稱為視電阻率[19]，用ρS表示，其計(jì)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(shí)際應(yīng)用中常采用高密度電阻率測(cè)量裝置(圖1(b))。高密度電阻率測(cè)量裝置在野外測(cè)量時(shí)，首先將幾十至上百根電極置于測(cè)點(diǎn)，然后利用微機(jī)控制電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電流和電壓數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)采集，并可實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行控制和處理，通過(guò)反演得到地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的視電阻率分布[20]。高密度電阻率測(cè)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(qiáng)和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[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(yuǎn)，局部地段可能已經(jīng)發(fā)生了垮塌，而且該地區(qū)在探測(cè)前連降暴雨，推測(cè)地下防空洞內(nèi)已充滿水。為了能高效地采集數(shù)據(jù)，提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用高密度電阻率測(cè)量裝置，采用電極間距為1 m的小極距布極方式對(duì)電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)及定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[22]，因此，在探測(cè)過(guò)程中選用溫納四極裝置形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)用高精度GPS對(duì)測(cè)線位置進(jìn)行定位。對(duì)采集的數(shù)據(jù)采用阻尼最小二乘法進(jìn)行視電阻率的反演計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 探測(cè)結(jié)果

為了充分認(rèn)識(shí)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(cè)剖面進(jìn)行分析解釋(見(jiàn)圖2)。如果防空洞內(nèi)部充滿空氣，其電阻率成像為高阻異常，若防空洞內(nèi)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(jié)果將變得復(fù)雜。為了對(duì)防空洞的電阻率成像特征進(jìn)行定量解釋，我們結(jié)合鉆探對(duì)地下電阻率成像結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 防空洞電阻率成像結(jié)果

L1測(cè)線視電阻率剖面如圖2(a)所示，測(cè)線14.5 m處和23.0 m處分別存在S1和S2兩個(gè)低阻異常區(qū)。圖2(b)為反演得到的L2測(cè)線視電阻率剖面圖，可以看出L2測(cè)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(cè)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(jié)果揭露其為局部垮塌的含水防空洞，內(nèi)部充填淤泥和碎磚塊。圖2(c)為反演得到的L3測(cè)線下方視電阻率剖面圖。圖中顯示，在L3測(cè)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(duì)比分析不同地質(zhì)情況下的含水防空洞電阻率成像特征，對(duì)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(nèi)充填物及異常形狀等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，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(duì)不同測(cè)線的電阻率成像結(jié)果結(jié)合實(shí)際防空洞的位置和尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，含水防空洞通常呈矩形低阻異常。經(jīng)過(guò)連續(xù)一周的抽水將洞體內(nèi)部水排干后，對(duì)防空洞進(jìn)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(jié)合前期鉆探驗(yàn)證結(jié)果可知，電阻率成像得到的低阻異常的中心位置與實(shí)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(zhǎng)度和寬度較實(shí)際防空洞數(shù)值偏大，這主要是因?yàn)槭芊揽斩磧?nèi)部水體的滲透擴(kuò)散影響，使得洞體周?chē)膸r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(duì)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)，低阻異常可延伸到地表。這是由于防空洞垮塌后導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生裂隙，這些裂隙有些貫穿至地表，在降雨后雨水通過(guò)地面裂隙流入防空洞，使得防空洞內(nèi)部充水，形成連通低阻異常區(qū)。同時(shí)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(nèi)水和淤泥的含量有關(guān)。尤其是對(duì)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(zhǔn)確識(shí)別防空洞的位置帶來(lái)困難。因此，在利用電阻率成像對(duì)防空洞進(jìn)行探測(cè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合鉆探對(duì)異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)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(jì)表

4 結(jié) 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(shí)際防空洞中心位置對(duì)應(yīng)較好。受防空洞內(nèi)部水體的滲透擴(kuò)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(shí)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(zhǔn)確識(shí)別防空洞位置帶來(lái)困難。防空洞內(nèi)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(duì)防空洞進(jìn)行探測(cè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合鉆探對(duì)異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。鑒于地下防空洞分布的復(fù)雜性，可對(duì)防空洞進(jìn)行三維電阻率成像探測(cè)，將有助于進(jìn)一步提高防空洞平面展布的探測(cè)精度。