高密度电法在废弃地铁探测中的应用

2017-05-16王牧陈军李琼涛

中小企业管理与科技·中旬刊 2017年4期

王牧+陈军+李琼涛

【摘要】地下空间的开发过程中，要尽量避开地下已建成的建筑物和市政设施，然而由于各种原因造成地下已建成的建筑物、市政设施等具体位置不明确，形成地下空间开发过程中的障碍物，为设计和施工造成不利影响。高密度电法具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便等特点，可以很好地解决这些地下障碍物问题。在地下人防边界定位等地下空间开发项目中，选用了高密度电法探测废弃地铁线路等障碍物，其探测结果与调研到的资料基本一致，探测效果十分明显。这说明高密度电法可用于地下空间开发过程中的地下构筑物探测，探测结果能为设计和施工提供参考依据。

【Abstract】 In the process of the development of underground space， it is necessary to try to avoid the underground buildings and municipal facilities. However， due to the various reasons， the specific location of the underground buildings and municipal facilities is not clear，forms the obstacles in the process of underground space development，which has a negative impact on design and construction.High-density resistivity method has the characters such as low cost， high efficiency， rich information， convenient explanation， which can solve the problems of the underground obstacles. In the underground space development project， such as underground civil air defense boundary location， the high density resistivity method is used to detect the obstacles such as the abandoned subway lines， and the detection results are basically the same as the survey data， and the detection effect is very obvious. It shows that the high-density resistivity method can be used to detect underground structures in the process of underground space development，and the detection results can provide reference for design and construction.

【关键词】高密度电法；地下空间开发；障碍物；废弃地铁

【Keywords】high-density resistivity method；underground space evelopment；obstacles；abandoned subway

【中图分类号】P631 【文献标志码】B 【文章编号】1673-1069（2017）04-0132-03

1 引言

城市的地下空间开放由来已久，从“文革”以前的人民防空到现在的地下人防、车库、下立交及隧道、地鐵等，这些开发在防空、提高空间利用率、降低环境污染、缓解交通拥堵压力等方面起到了一定的作用。然而随着城市化建设的步伐加快，城市日新月异，许许多多原有的地下建筑物、市政设施等由于各种原因造成具体位置不明确，形成为城市建设过程中的障碍物，对设计和施工造成不利影响。

高密度电法在水利水电、环境工程地质、工程地质勘察、城市工程物探、工程质量检测等工程领域应用广泛[1-4]，是地下空间开发项目首选的物探方法之一。论文从地下人防边界定位项目出发，探讨了高密度电法在探测废弃地铁线路方面的应用，探测结果与调研到的资料基本一致，效果十分明显。从而说明高密度电法可用于地下空间开发过程中的地下构筑物探测，并且探测结果能够为设计和施工提供参考依据。

2 高密度电法原理

直流高密度电阻率法简称为高密度电法，其勘探基本原理是以目标体与岩石、土层等目标围岩之间存在电阻率差异为基础，通过人工在地下建立稳定电流场，在地表观测电位差和供电电流，计算出视电阻率，以此达到研究地下电流传导规律的一种电法勘探方法[5]。这与常规电阻率法相同。相对于常规电阻率法而言，高密度电法具有如下优点：一次性完成电极不舍，防止因电极设置而引起的故障和干扰；可采用多种电极排列方式测量，获取丰富的地电断面结构特征信息；彻底地抛弃了视电阻率的概念，将所测得的大量数据利用现代的反演技术直接反演成真电阻率剖面图，具有成本低、效率高，信息量丰富，解释能力方面显著提高。

野外测量时将全部电极（工程物探上一般是60根或120根）置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换开关控制各电极在测量电极和供电电极之间转换，用微机快速自动采集数据，将测量数据处理后可得到相关地电断面分布图。

供电电极是向地下提供电流I，测量电极是测量两电极之间的电位差ΔU，视电阻率ρs由以下公式计算：

式中，K为装置系数。

高密度电法有十几种测量排列装置，如温纳装置（Winner）、施伦贝尔装置（Schlumberger）等，这些排列装置都是从对称四极、偶极—偶极、单极—偶极、单极—单极演变而来的，排列装置不同其跑极方式和装置系数均不同。

高密度电阻率法测量所得的视电阻率地电断面精确解释地质现象，需要通过反演得到更为精确的地电断面分布图[6]。常用的高密度电法二维反演程序是采用基于平滑约束的最小二乘反演方法，其优点是阻尼系数和平面过滤器能随着数据类型而调整。基于平滑约束的最小二乘反演方法是假定二维电阻率反演所使用的模型由大量电阻率为常数的矩形单元组成，利用平滑约束最小二乘反演方法可以计算每一体元的电阻率，并使得计算的理论值与实测视电阻率值之残差达到最小。其公式是：

其中，J为偏导数雅可比矩阵，C为二维平滑系数，λ为阻尼系数，d为模型参数修改矢量，g为残差矢量。

3 现场工作布置

本项目为地块商业开发项目，拟建地下人防（地下车库），但在其红线范围内存在一段废弃的地铁线路，废弃地铁的位置及埋深影响着地下人防建设。该地块近似三角形，长约170m，宽约120m，周围为道路及其他基础设施。废弃地铁隧道应该为空体，为高电阻物体，周边土层为粘性土，为低电阻物体。两者的电阻差异明显，这符合高密度电法探测的地球物理前提。

由于已知废弃地铁的大致位置位于场地偏西，受到场地大小、场地内试桩施工及周边设施限制，本次探测布设3条测线，测线近似南北方向布置，与已知地铁走向斜交，均采用温纳装置。所有测线均布设60个电极，其中测线一和测线三的电极距为3.0m，测线二的电极距为2.0m。测线的具体布置见图1。

由于探测前一周均在下雨，地面较泥泞，接地电阻均较低。但是在靠近西侧道路有一段混凝土地面，电极尽量大在混凝土上覆盖的较厚泥土区，无覆盖泥土区测线稍偏移，如测线二。在探测过程中，用GPS将每个电极的平面坐标定位出来，以便于后续确定异常位置，图1中测线上的点即为实测位置。

4 资料分析

根据实测结果，采用软件Res2dinv进行反演，反演结果见图2。从图2（a）中可以看出，在测线距离69～78m范围内有明显的低阻现象，其中心深度约9m。从图2（b）中可以看出，在测线距离81～87m范围内有明显的低阻现象，其中心深度约8m。从图2（c）中可以看出，在测线距离82～88m范围内有明显的低阻现象，其中心深度约6.5m。这三处异常的中心位置电极位于已知地铁线路上。对测线三上的异常，现场进行钻孔验证，钻孔到深度6m左右无法钻下去，而地铁的直径约6m，这说明该异常是真实的反应。但是让人不解的是废弃的地铁应该是空的，应该呈现高阻现象，而实测的结果却是呈现低阻现象，猜测该段废弃地铁已封闭，内部全为积水。

5 结论

从上述两个应用实例可以看出：

①在地下空间开发的过程中，应用高密度电法探测地下既有建筑物和市政设施，效果十分明显。说明高密度电法可用于地下空间开发过程中的地下构筑物探测，并且探测结果能够为设计和施工提供参考依据。

②对既有的地下建筑物和市政设施的物探探测，对探测目标的相关资料收集是十分必要的，這有助于对物探现象分析和解释。

③城市中的高密度电法受场地影响严重，往往不能直接布线于目标区域，需要在目标区域外探测，并依据收集的资料确定目标区域的目标体分布情况。

④在地表有积水的情况下，高密度探测大片浅埋的低阻体时，可以很好地确定低阻体的边界位置，但无法确定低阻体的埋深，并且对低阻体下部的情况产生影响，使得无法确定更深地质体的情况。

⑤在地下空间开发力度越来越大的今天，对于这种老而资料不全的地下构筑物探测是十分必要的。这些构筑物的电阻率与周边介质存在较大差异，采用高密度电法可很好解决此类问题。

【参考文献】

【1】李富，刘树才，曹军，等.高密度电阻率法在工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报， 2006，3（2）：119-124.

【2】樊耀武，王启军，胡延林，等.高密度电阻率法在工程勘察中的应用[J].铁道工程学报， 2009，131（8）：31-33.

【3】张光保.褚家营巨型滑坡的高密度电法勘察及效果分析[J].地球物理学进展，2012，27（6）：2716-2721.

【4】杨海，葛良全，罗耀耀，等.高密度电法在茶园沟填埋场选址中的应用[J].地球物理学进展，2014，29（1）：0447-0451.