T-R綜合物探技術(shù)在防空洞積水探測中的應(yīng)用研究

胡華宗

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000）

早期修建的防空洞大部分放置多年，無人使用，現(xiàn)有的資料不全，一些防空洞無法找到入口。經(jīng)過多年的放置，防空洞中存在積水，采用常規(guī)的探測方法無法精準(zhǔn)獲取防空洞的位置，在這種情況下無法完成基礎(chǔ)建設(shè)[1]?？蓪⒕C合探測方法應(yīng)用到防空洞的積水探測中，由于受到地形復(fù)雜的影響，防空洞的物理場分布會出現(xiàn)較大的畸變，防空洞積水探測過程的首要任務(wù)是提高綜合探測的整體分辨率。

綜合物探方法是由2種或2種以上的方法構(gòu)成的，目前國內(nèi)外常用的綜合物探方法通常包括地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、直流充電法、瞬變電磁法和無線電磁波探測法等。T-R綜合物探方法以其輕便、快捷的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在煤礦、防空洞、隧道以及地下水等工程探測領(lǐng)域中。部分研究人員將綜合物探方法應(yīng)用在松山隧道探測中，推斷了隧道洞口位于碎石和塊石中，開挖時應(yīng)加強(qiáng)邊坡加固措施，推斷了里程K28+945 m—K29+100 m區(qū)間，隧道位于強(qiáng)風(fēng)化基巖中，里程K30+645 m—K31+360 m區(qū)間內(nèi)，隧道位于裂隙發(fā)育帶，開挖時應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)和支護(hù)工作[2]。一部分研究人員將綜合物探方法應(yīng)用在瓊中地區(qū)地下水探測中，采用音頻大地電磁測深和高密度電阻率法對海南省瓊中縣榕木村花崗巖區(qū)深部賦水?dāng)嗔哑扑閹У奈恢?、深度、?guī)模和產(chǎn)狀特征進(jìn)行了探測[3]。而針對防空洞積水，一些學(xué)者將高密度點(diǎn)法引入瞬變電磁法中，首先分析了研究區(qū)域的特點(diǎn)，根據(jù)瞬變電磁法的探測結(jié)果，采用高密度點(diǎn)法確定積水區(qū)域的位置，在此基礎(chǔ)上確定積水區(qū)域的范圍，實(shí)現(xiàn)防空洞的積水探測[4-5]。

根據(jù)上述分析結(jié)果，提出T-R綜合物探技術(shù)在防空洞積水探測中的應(yīng)用研究方法。

1 T-R綜合物探技術(shù)在積水探測中的應(yīng)用

1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法[6-7]在工作過程中容易受到空間的影響，因此大部分采用多匝小回線，工作裝置通常包括3種：偶極裝置、中心回線裝置、重疊回線裝置。不同裝置在現(xiàn)場實(shí)測過程中存在各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境、探測裝備的特點(diǎn)以及探測任務(wù)的需求，選擇相應(yīng)的探測裝置，探測結(jié)果也會受到增益、關(guān)斷時間等參數(shù)的影響。在現(xiàn)場探測過程中，可根據(jù)探測環(huán)境確定一些參數(shù)，回線匝數(shù)和邊長這兩個參數(shù)需要根據(jù)任務(wù)要求和探測設(shè)施實(shí)際情況設(shè)定。

分析電磁波發(fā)射的方向性特征，采用瞬變電磁技術(shù)，根據(jù)分析結(jié)果多方位的探測防空洞的內(nèi)部情況，探測方向即為線框平面中法線的方向[8-9]。在探測過程中，可根據(jù)環(huán)境調(diào)整線圈平面的方向，采用瞬變電磁法在防空洞中實(shí)行豎向探測，如圖1所示。通過上述方式可在巷道中探測上、下2個方向的巖體巖性分布情況。如圖2所示，將接收線框和發(fā)射線框以一定的角度放置于防空洞的巷道中。

根據(jù)上述探測方法，可在探測范圍內(nèi)獲取防空洞巷道方頂板和下頂板巖石分布的大概情況。根據(jù)上述探測結(jié)果，結(jié)合防空洞的相關(guān)資料，可以確定富水異常區(qū)域在防空洞中的位置及范圍。

（1）發(fā)射線框。供電電流設(shè)置為15 A，頻率設(shè)置為16 Hz，測試240 m×240 m和160 m×160 m的發(fā)射線框，測試結(jié)果見表1。

圖1 豎直方向探測Fig.1 Vertical detection

圖2 傾斜方向探測Fig.2 Tilt direction detection

表1 瞬變電磁法發(fā)射線框V/I衰減對比結(jié)果Tab.1 Transient electromagnetic method emission wireframe V/I attenuation comparison results

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，在測試中期，小線框發(fā)射信號的穩(wěn)定性較差；在測試后期，小線框發(fā)射信號存在異常。對比測試結(jié)果可知，240 m×240 m的發(fā)射線框效果相對較好。

（2）發(fā)射頻率。設(shè)置發(fā)射線框?yàn)?40 m×240 m，供電電流為15 A，對8 Hz、16 Hz、32 Hz發(fā)射頻率實(shí)行測試，測試結(jié)果見表2。由表2中的數(shù)據(jù)可知，8 Hz頻率的發(fā)射線框容易受到噪聲干擾，降低了信號的穩(wěn)定性，16 Hz和32 Hz頻率的發(fā)射線框受噪聲干擾的影響較小。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，探測深度隨著發(fā)射頻率的增加而減小，即探測深度越深、發(fā)射頻率越低，探測深度越淺、發(fā)射頻率越高。為了滿足分辨率需求，選用16 Hz作為發(fā)射線框的探測發(fā)射頻率。

表2 不同發(fā)射頻率測試結(jié)果Tab.2 Test results of different emission frequencies

1.2 無線電磁波探測法

分析無線電磁波探測法[10-11]的施工方式、接收部分硬件結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理方式發(fā)現(xiàn)，該方法與傳統(tǒng)電磁波透視探測方法之間存在較多差異。采用無線電磁波探測法探測防空洞積水情況時，需要考慮施工環(huán)境和探測條件，針對不同的施工方法對應(yīng)著不同的鉆孔設(shè)計(jì)方式。

防空洞積水探測無法利用傳統(tǒng)的電磁波投射方式完成，在常規(guī)鉆孔規(guī)格的基礎(chǔ)上完成鉆孔天線的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

采用無線電磁波探測法探測防空洞積水情況時，在已施工的鉆孔中布置電磁接收天線[12-13]。防空洞中通常存在地質(zhì)孔、探放水鉆孔以及瓦斯鉆孔，鉆孔的類型不同對應(yīng)的特點(diǎn)也不相同。

瓦斯鉆孔在防空洞中起到抽放瓦斯的作用，該鉆孔的直徑比其他鉆孔大；探放水鉆孔可以在防空洞中完成超前探放水，直徑小于瓦斯鉆孔；地質(zhì)鉆孔的大小與探放水鉆孔相差較小，在防空洞中主要負(fù)責(zé)探測地質(zhì)。

圖3 接收天線Fig.3 Receive antenna

根據(jù)鉆孔的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以下2種無線電磁波探測布置方法。

（1）為了獲取磁感應(yīng)信號，可將接收天線平行放置于防空洞的巷道中，發(fā)射線圈在防空洞巷道中發(fā)射電磁感應(yīng)信號，放置于鉆孔中的接收天線可接收反射的電磁感應(yīng)信號[14-15]。具體探測情況如圖4所示。

圖4 與巷道平行鉆孔Fig.4 Drilling parallel to the roadway

（2）將接收天線布置在與巷道垂直的鉆孔中，獲取磁感應(yīng)信號，在巷道中發(fā)射線圈的主要目的是發(fā)射信號，在鉆孔中接收天線可以獲取信號。具體探測情況如圖5所示。

1.3 T-R綜合物探技術(shù)

T-R綜合物探技術(shù)結(jié)合了瞬變電磁法和無線電磁波探測法的優(yōu)點(diǎn)，針對淺埋地質(zhì)體，優(yōu)化無線電磁波頻率，提高無線電磁波探測法的整體分辨能力，實(shí)現(xiàn)防空洞積水探測。具體流程如圖6所示。

圖5 與巷道垂直鉆孔Fig.5 Drilling vertically with the roadway

圖6 防空洞積水探測的具體流程Fig.6 Specific flow of water detection in air raid shelter

2 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，選取鄭州市西部城區(qū)防空洞為實(shí)驗(yàn)對象（圖7），防空洞埋藏深度在地下7 ～ 10 m，洞高一般在 1 ～ 2 m，寬約1.2 m。工作區(qū)內(nèi)在深度 0 ～ 20 m內(nèi)主要為低液限黏土及粉質(zhì)黏土。防空洞埋深一般在 7～10 m，由于建筑基礎(chǔ)開挖深度約4 m，因此，本工區(qū)的防空洞頂面埋深在 3.7 m。采用T-R綜合物探技術(shù)對如下防空洞積水情況探測。

瞬變電磁法和無線電磁波探測法分別采用國產(chǎn)YCS-11型瞬變電磁儀[16-17]和WKT-E型無線電波坑道透視儀（圖8）。

圖7 探測目標(biāo)Fig.7 Detection target

圖8 探測設(shè)備Fig.8 Detection equipment

在研究區(qū)域內(nèi)利用上述設(shè)備根據(jù)下述測點(diǎn)分布（圖9），測試防空洞內(nèi)的積水情況。

圖9 測點(diǎn)分布Fig.9 Distribution map of measuring points

采用T-R綜合物探技術(shù)獲得的探測結(jié)果見表3、表4。由表3中的數(shù)據(jù)可知，隨著時間的增長，以上2個測點(diǎn)處的歸一化電壓呈下降趨勢，在測試結(jié)束時，歸一化電壓低于0.1 μV/A；隨著時間的增長，2個測點(diǎn)處的歸一化電壓下降速度有所減慢。針對測點(diǎn)歸一化電壓和時間變化之間的關(guān)系，可通過負(fù)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行表示。對比2個測點(diǎn)的歸一化電壓可以發(fā)現(xiàn)，在相同時間段內(nèi)40號測點(diǎn)處的歸一化電壓一直低于8號測點(diǎn)處的歸一化電壓，表明8號測點(diǎn)屬于相對低阻點(diǎn)，其電壓下降速度較慢。分析表4中的數(shù)據(jù)可知，隨著頻率的增加，2號測點(diǎn)和11號測點(diǎn)處的視電阻率不斷增大[18-20]。

表3 TEM-1Tab.3 TEM-1

表4 RWP-1Tab.4 RWP-1

采用T-R綜合物探技術(shù)獲得不同測區(qū)剖面的視電阻率斷面圖，如圖10所示。

由圖10（a）可知，平面上3～12 m、深度1.5～3.5 m 內(nèi)，等值線出現(xiàn)了向上開口的高阻、密集半閉合圈，經(jīng)分析推測該異常應(yīng)為地下防空洞積水引起，具體為：長度在3.5～11.0 m、深度1.5～3.0 m、寬約1.5 m的較長空洞。由圖10（b）可以看出，有2個向上開口的高阻半閉合圈異常：①11～14 m、深度1.0～1.8 m內(nèi)；②20.0～22.3 m間、深度1.0～2.1 m內(nèi)，經(jīng)分析推測2個異常均為地下空洞積水引起。后經(jīng)人工探槽開挖證實(shí)，該防空洞積水與物探推測結(jié)果基本一致。

通過上述分析可知，采用T-R綜合物探技術(shù)可有效完成防空洞積水探測。

3 結(jié)語

利用T-R綜合物探技術(shù)進(jìn)行防空洞積水探測可知，平面上3～12 m、深度1.5～3.5 m內(nèi)出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，是由地下防空洞積水引起。

圖10 不同測區(qū)剖面的視電阻率斷面Fig.10 Apparent resistivity section of sections in different survey areas

經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)合瞬變電磁法和無線電磁波探測法是切實(shí)可行的，可獲取防空洞的分布情況，劃分防空洞的積水區(qū)域，完成防空洞積水探測，為類似工程提供了分析思路和技術(shù)手段，具有借鑒意義。雖然本文技術(shù)的探測精度較高，但是由于綜合物探方法是由2種或2種以上的方法構(gòu)成的，進(jìn)行防空洞積水探測的時間較長，因此，在接下來的研究中對技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，旨在提高探測效率。