地下人防巷道上方探地雷达异常特征与实际应用

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230022)

林晓晖，张国鸿

0 引言

由于历史的原因，在我国中心城市和大型企业坐落区普遍分布有地下人防巷道。当今，我国经济建设发展迅速，尤其是城市改造、道路、地下工程（地铁、地下停车场、地下商城等）和商住楼等建设项目越来越多，因此要求对于建设场地下方的地下人防巷道的分布必须搞清楚，以优化工程设计规划，保障工程质量和运行的安全。人防巷道存在地下有四十年的时间，它可能已发生了塌陷，其中可能存在水、土充填物，准确探测出它的空间分布和内部结构是一件极为困难的事。探地雷达是利用宽带高频电磁波来探测浅地表中介质内部结构、隐蔽物空间分布的地球物理方法，我们根据建设场地的工程勘察资料，建立不同内部结构的人防巷道模型，利用数值模拟的方法正演地下人防巷道上方探地雷达异常，据此异常特征帮助我们实际工作中对地下人防巷道的位置、形状及内部结构等性质进行推断。实际应用工作表明，这种借助于正演异常特征对地下人防巷道分布推断的成果，得到了勘察设计单位的认可。

1 正演方法简介

探地雷达波具有高频特征，波长较短，介质吸收强烈，同时受地面干扰大，使得探测剖面复杂，因此，用数值模拟的方法模拟待测目标体的雷达波场特征，对认识实际的雷达记录，识别目标体有着重要意义[1]。

随着计算机技术的迅速发展和广泛运用，数值模拟是探地雷达最常用的正演方法。模拟探地雷达波在时空域内传播的常用数值模拟方法有射线追踪法、有限元法有限差分法等[1]。本文所采用的正演方法为时间域有限差分法，其基本原理如下。

考察一个无源区域，其介质的电磁参数不随时间变化且各向同性，则麦克斯韦旋度方程可写成[1]：

上式中，E是电场强度；H是磁场强度；ε是介电常数；σ是介质电导率；μ是介质磁导率；ρ是计算磁损耗的磁阻率。在直角坐标系中，将（1）式写成分量形式：

考察区域建立矩形差分网格，可将式（2）～（7）化为差分方程，如：将（2）式化为差分方程（其他算式雷同）：

上式中,（i,j,k）为节点编号；∆x、∆y、∆z为矩形网格分别沿x,y,z方向的空间步长；∆t为时间步长。

2 人防巷道的异常特征

根据工程勘察资料，针对人防巷道的埋藏深度和其内部结构，建立五种类型的人防巷道的地电模型，并以实际工作中使用的发射天线频率（100MHz）进行了正演数值模拟，介质的相对介电常数和形态分别为：黏土εr=4，水体εr=81，空气εr=4；人防巷道形状为拱形，高2m，宽2m，壁厚0.25m,模拟出的异常特征结果如下。

2.1 模拟结果一

模拟了人防巷道顶部埋深为2.5m，模型1为人防巷道内部空腔全部充满水体；模型2为人防巷道内部空腔的一半充满水体。人防巷道的埋深、结构以及模拟结果见图1。

图1（a）和图1（b）是人防巷道分布与结构情况，人防巷道四周为黏土层。图1（c）、图1（d）分别是正演模拟模型的探地雷达异常结果的剖面图。由图1可见，由于人防巷道埋深浅，探地雷达“双曲线型”的反射异常特征十分明显。两模型的异常特征的主要区别在于：人防巷道内充满水体时（图（a）），探地雷达反射波异常（图（c））曲线的曲率大；人防巷道内一半充水时（图（b）），探地雷达的异常（图（d））曲线的曲率小些，即反射异常曲线平缓些，且异常出现的深度大些，主要是人防巷道内水体界面的产生的反射引起。

2.2 模拟结果二

模拟了人防巷道顶部埋深为7.0m，模型1为人防巷道内部空腔全部充满水体；模型2为人防巷道内部空腔的一半充满水体。人防巷道的埋深、结构以及模拟结果见图2。

图1 2.5m埋深人防巷道上方探地雷达异常特征Fig.1 GPR anomaly features of air defense tunnel at 2.5m burial depth

图2（a）和图2（b）是人防巷道分布与结构情况，人防巷道四周为黏土层。图2（c）、图2（d）分别是正演模拟模型的探地雷达异常剖面图。由图2可见，由于人防巷道埋深较大，探地雷达“双曲线型”的异常虽有显示，但异常特征不明显，异常曲线的曲率小，接近平直。两模型的异常特征主要区别在于：人防巷道内充满水体时（图（a）），探地雷达波的反射异常（图（c））位置浅，与人防巷道顶部埋深一致；人防巷道内一半充水时（图（b）），探地雷达的反射波异常（图（d））出现的深度较大，主要是人防巷道内水体与空气间的界面反射引起。

2.3 模拟结果三

图2 7.0m埋深人防巷道上方探地雷达异常特征Fig. 2 GPR anomaly features of air defense tunnel at 7.0m burial depth

模拟了人防巷道顶部埋深为12m，其内部空腔全部充满地下水的情况。人防巷道的埋深、结构以及模拟结果见图3。

图3（a）是人防巷道分布与结构情况，人防巷道四周为黏土层。图3（b）是模拟模型的探地雷达异常剖面图。由图3（b）可见，由于人防巷道埋深大，探地雷达“双曲线型”的反射波异常特征基本消失，异常特征接近水平层状结构层的反射波。

图3 12m埋深人防巷道上方探地雷达异常特征Fig. 3 GPR anomaly features of air defense tunnel at 12.0m burial depth

3 应用实例

3.1 应用区工程地质条件

根据区内钻探揭露，查区内第四系厚度在30米左右，在第四系盖层内，根据场地工程勘察钻探揭露，第四纪地层主要由全新统填土层及黏土层构成。大致可划分为三层：

（1）杂填土：揭露层厚0.70～1.50m。灰褐色，稍湿，松散，该层以回填砂土混大量的煤渣、碎砖屑及混凝土屑为主，偶见有小碎石。

（2）素填土：揭露层厚0.50～1.00m。褐色，稍湿，松散；以回填粘性土为主，软塑状，含有直径3～5cm碎石，并见有少量碎砖屑及煤渣。

（3）粉质黏土：揭露厚度1.00～2.30m。黄褐色，硬塑状，含铁、锰质氧化物锈斑及结核，少量灰白色高岭土条纹，含少量姜石。

第四系黏土层之下是古近、新近系梁园组红色泥岩。

3.2 探测结果

（1）a1和a2剖面：两条剖面平行，相距10m，剖面长10m，测点距0.1m。图4是两条剖面的探地雷达实测记录图像。从两条剖面的探地雷达实测的反射剖面图像看，在反射剖面深度内，大致可划分三个地质层，分别是0～2m的填土层（弱反射）；2～5m的粉质黏土层（强反射）；5～12m的黏土层（弱反射）。观察两条剖面的探地雷达图像，在两条剖面的7～9号测点位置，深度5m左右出现了明显的“双曲线型”反射波异常，由于“双曲线型”的异常特征明显（图中圆圈位置），我们推断认为是埋藏浅的人防巷道发射引起，即是人防巷道的进口位置。

图4 a1和a2剖面探地雷达图像Fig. 4 GPR images for sections a1 and a2

（2）a3和a4剖面：两条剖面平行，相距10m，剖面长19m，测点距0.1m。图5是两条剖面的探地雷达实测记录图像。同样，在反射剖面深度内，可划分三个地质层位，分别是0～2m的填土层（弱反射）；2～5m的粉质黏土层（强反射）；5～12m的黏土层（弱反射）。观察两条剖面的探地雷达图像，在两条剖面的16—18号测点位置，深度在6m左右出现了较明显的“双曲线型”反射波异常，由于“双曲线型”的异常特征比较明显，我们推断认为是a1、a2剖面位置上的人防巷道向前延伸引起。

图5 a3和a4剖面探地雷达图像Fig. 5 GPR images for sections a3 and a4

（3）a5和a6剖面：两条剖面彼此平行，并与a4、a5剖面平行，剖面距10m，剖面长18m，测点距0.1m。图6是两条剖面的探地雷达实测记录图像。两条剖面背景场异常与a1、a2、a3、a4剖面基本相同，在反射剖面深度内，也可划分出三个地质层位，分别是0～2m的填土层（弱反射）；2～5m的粉质黏土层（强反射）；5～12m的黏土层（弱反射）。由两条剖面的探地雷达图像可见，在两条剖面的14～16号测点位置，深度在9m左右出现了孤立的强反射区（图中圆圈位置），反射波异常基本呈直线，由于“直线型”的异常特征明显，我们推断认为在弱反射区内 “直线型”强反射波异常的位置是地下人防巷道延伸至a3、a4剖面上的部分引起。

图6 a5和a6剖面探地雷达图像Fig. 6 GPR images for sections a5 and a6

4 结语

探测地下人防巷道埋藏深度和走向位置，采用探地雷达法效率高、作业简单，但由于探测场地多为拆迁的建筑场地，地表介质复杂、探测条件差，因此在数据处理时不仅消除浅层介质不均匀性造成的干扰影响，而且要根据场地工程勘察资料，估计人防巷道大致埋深和内部结构，建立地电模型进行正演计算，建立勘查场地范围内人防巷道的探地雷达的发射波异常特征，以此可帮助我们圈定人防巷道的埋深和走向位置。

当人防巷道埋藏较浅的情况下，它的内部可能一半冲水，这时人防巷道上方的探地雷达异常主要是人防巷道空腔内空气与地下水间的界面引起的反射，因此不能认为异常出现的深度就是人防巷道顶部埋藏深度；人防巷道埋藏变深，反射波异常曲线的曲率会变小，人防巷道位置不易识别；人防巷道埋藏深超过10m左右，发射波异常变成直线，表现出层状物质分布情况，在这种情况下需应用综合物探方法探测。