超高密度電法在地下空洞勘探中的應用

崔玉成 劉愛明

(1．山西晉城路橋有限公司，山西 晉城 048000; 2．山西平陽路橋有限公司，山西臨汾 041000)

0 引言

超高密度法是由澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發中心最新研制成功的——FlashRES 64多通道 地面/井地/井井 直流電法勘探系統。

超高密度法與常規高密度法相比，極大地提高了勘探效率，且取得了真電阻率剖面。

1 超高密度電法原理及儀器系統簡介

1．1 超高密度電法勘探原理

超高密度直流電法勘探方法，同以往電法原理相同均是在人工直流電場的作用下，地表電場分布與地下巖體、土體的電阻率分布相關的基本原理，但又不同于以往直流電法勘探，有以下幾方面的特點:

1)超高密度電法打破了以往電法勘探中數據采集裝置的限制，而采用自由無限制的任何四極的組合方式來采集數據，故超高密度方法可采集到幾十倍與常規電法數據采集裝置采集不到的數據。例如一個64根電極的排列中，以往常規電法勘探的數據采集方式僅可采到1 000多個數據，而超高密度電法，則可采集到6萬多個數據。如此大的數據量極大地提高了反演結果的準確性和可靠性。

2)超高密度電法徹底的拋棄了傳統視電阻率的概念。由于采集的數據量是常規電法的幾十位，通過反演技術直接反演成真電阻率剖面圖。該剖面圖可以直接作為巖土體分布規律解釋的依據。

3)超高密度電法不同于其他電法儀器，采用61道道技術，常規儀器大多為16道。這樣就可以把采樣效率提高幾百倍，從而使真電阻率剖面的取得成為可能。

4)超高密度電法系統可以做井—井間、地面、井—地間電法勘探。

1．2 超高密度電法勘探儀器簡介

1)系統組成:FlashRES 64多通道 超高密度 地面/井地/井井直流電法勘探系統主要由以下六大部分組成:a．儀器主機箱;b．便攜式計算機;c．電纜;d．電極;e．數據采集控制軟件;f．數據處理和反演成像系統(見圖1)。

圖1 超高密度電法勘探儀器

2)主要技術指標:a．接收部分:電極:64個;電壓通道數:61;輸入阻抗:＞107 Ω;測量精度:＜0．5% ＜1 bit;對50 Hz工頻干擾壓制: ＞80 dB。b．發射部分:三種供電電壓:30 V，90 V，250 V;電流:＜3 A。c．其他:電纜:兩根帶有32個電極的多芯電纜;工作溫度:－20℃～+50℃;工作濕度:95%RH;儀器電源:12 V電瓶;重量:4．5 kg;體積:350 mm×300 mm×150 mm。

2 超高密度電法勘探系統的主要用途

1)在橋梁、隧道等大型工程的詳勘中，用于場地地質構造、地層結構、不良地質現象等的物探勘查;

2)在公路、鐵路路基施工過程中，用于找尋路基下的巖溶、采空區空洞等空洞的檢測工程質量;

3)在金屬礦山巷道內探測巷道四周圍巖及兩條巷道間的礦藏的分布;

4)在場地基坑開挖后探測地下空洞，如采空區、巖溶、防空洞、墓穴等;

5)用于采空區、水壩等注漿效果的質量檢測。

3 地下空洞勘探實例

某單位新建指揮中心，由于在建設其他工程時發現有人防工程，且本工程在帷幕及基坑開挖過程中發現有疑似地下防空洞，為確保指揮中心基礎的安全可靠，需查明地下防空洞的分布深度以及展布方向，受建設單位委托我公司于2012年10月20日進入該指揮中心施工現場展開地下防空洞的物探及驗證工作，外業工作于10月24日結束，資料整理及其他內業工作于10月27日結束。

3．1 工程概況

本工程由一棟5層辦公樓和地下車庫組成，占地面積約1 500 m2。現基坑已開挖至天然地面下約7．4 m，基坑東西向約65 m，南北向約48 m。

3．2 場地地質情況

根據本場地巖土工程勘察報告，場地地層由上至下主要為①層雜填土，②層粉土，③層粉質粘土，④層粉土，⑤層中粗砂、粉土、角礫。勘探深度約25 m。

地下水位 －24．58 m ～ －26．33 m。

3．3 物探方法的選擇及完成的工作量

根據我單位前期對場地的踏勘情況，如果存在地下防空洞，則地下防空洞的埋藏深度約為15 m，地質雷達勘探深度無法滿足此要求，并且由于場地狹窄，基坑已開挖深達7．4 m，采用常規高密度法無法滿足勘探范圍以及深度的要求，故我們采用了超高密度電法勘探，它所測得的大量數據利用現代的反演技術直接反演成真電阻率剖面圖。此圖可直接用于地下巖土分布的分析和解釋。

共完成測線11條，測點662個，具體測線布設見圖2。

圖2 指揮中心物探測線、物探驗證孔布設及物探成果平面布置示意圖

3．4 物探異常區鉆探驗證及完成工作量

10月22日我公司提交初步物探報告后，建議對物探高阻異常區布設鉆孔進行驗證，經委托方同意后，我公司于10月23日～10月24日完成了鉆探驗證，共布設鉆孔8個，鉆探進尺122．1 m，孔位見圖2。

3．5 勘查對象地球物理前提分析

綜合分析本場地附近介質的電性情況，認為如果存在地下防空洞，則與周圍土及砂之間存在較明顯的電性(如電阻率或電導率等)差異，表現為高電阻率異常，這為該工區進行超高密度電法勘查工作尋找人防空洞提供了良好的地球物理前提。

3．6 數據處理與資料解釋

利用超高密度直流電法勘探系統配置的處理軟件，處理后生成的結果文件，可以用Surfer軟件打開，利用Surfer軟件可以繪制真電阻率剖面圖，得到真電阻率剖面圖可以直接為地質勘察人員使用，并與其他勘察資料比對。

3．7 超高密度電法探測結果異常解釋

綜合分析所測11條測線所發現的異常，存在明顯的高阻異常，電阻率值150 Ω·m～300 Ω·m，而一般地下水位以下粉土、砂視電阻率在50 Ω·m或以下，異常較為明顯，異常深度分布在基坑底面以下9 m～11 m，所有異常基本在同一高程上，水平寬度3 m～6 m，為局部獨立異常，各測線異常具有相關性和相對連續性，異常呈條帶分布，再根據先前的地勘資料，在物探異常對應深度是粉土，再結合以往的經驗，在粉土內出現高阻異常，存在人工建筑的可能性很大。

典型電阻率剖面圖見圖3。

圖3 超高密度電法探測圖

3．8 鉆探驗證

為進一步確定物探異常的性質，在物探異常區布設鉆孔8個，其中6個鉆孔有掉鉆現象，掉鉆深度9．5 m～10．1 m，2個鉆孔在9．3 m左右發現鉆探進尺快，土樣松散的現象。鉆探驗證結果表明，物探高阻異常為地下防空洞。

4 結語

本次超高密度電法勘探取得了良好的野外數據，超高密度電法電阻率反演剖面圖反映出物探異常區為高阻異常，與背景之間電性差異明顯，異常清晰，并與鉆探驗證結果相吻合。

超高密度法在物探勘探過程中具有勘探效率高，受場地條件制約小，解譯結果為真電阻率剖面圖易于與現場實際條件比對等優點，是一種經濟、可靠的勘探手段。