探地雷達于城市道路塌陷危害檢測評估的應(yīng)用探討

田增彪，李 杰

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130000;2.河北九華勘查測繪有限責任公司，河北保定071051)

目前，全國各城市頻繁發(fā)生道路塌陷災(zāi)害事故，不僅造成了較大的經(jīng)濟損失，還給城市中生活的人們帶來了不可預(yù)知的實實在在的生命與財產(chǎn)威脅，對社會的負面影響非常大。預(yù)防和解決城市道路塌陷，保護人民生命與財產(chǎn)安全，已成為城市建設(shè)、管理工作的一項重要任務(wù)。近幾年，河北九華勘查測繪有限責任公司(五一九大隊)在物探應(yīng)用于找礦之外項目上，投入大量人力物力開展技術(shù)研究和方法試驗工作，對特定技術(shù)難題組織專項攻關(guān)，取得了空洞塌陷、地下涵洞、古墓葬等方面的應(yīng)用效果，為部分城市道路塌陷探測搶險工作提供了可靠的技術(shù)支持;但在城市道路地下空洞快速探查和塌陷危害整體檢測評價方面，仍存在物探方法選擇、儀器設(shè)備性能提升，檢測路線方式與工作布置等諸多問題有待解決與突破。

一、城市道路塌陷的原因分析［1-2］

中國城市分布于廣袤960萬km2的地域中，各城市的自然環(huán)境、地理位置、人文條件等差異很大，城市道路塌陷的原因千差萬別，同時，相同的快速發(fā)展、快速擴張的城市狀況，又使其具有了更大的共同性。造成城市道路塌陷的原因大致可分為:①自然地質(zhì)環(huán)境的原因，如巖層與地下水變化造成的巖溶性塌陷、地質(zhì)構(gòu)造活動造成的斷裂塌陷等;②人類生產(chǎn)生活的原因，如地下水過度開采造成的沉降塌陷、礦產(chǎn)開采后造成的采空區(qū)塌陷等;③城市建設(shè)工程施工的原因，如地鐵、地下設(shè)施及建筑基礎(chǔ)工程使得原有的地下密實層被破壞導(dǎo)致的地面塌陷;④地下各類管道運行故障與缺陷，特別是地下液體傳輸管道破損與斷裂的原因，如自來水管道泄漏導(dǎo)致路基土被水沖刷、淘蝕，土粒隨水流失引起地面塌陷等。前兩類屬區(qū)域性的，不止發(fā)生在城市道路上，塌陷位置、塌陷規(guī)模與地質(zhì)條件有關(guān)，一般發(fā)生在一些特定的城市，出現(xiàn)頻次較低，但塌陷范圍、深度較大，破壞力較強;后兩種原因產(chǎn)生的塌陷，其塌陷位置與工程施工場地、管道經(jīng)過路線相對應(yīng)，主要發(fā)生在城市道路上，規(guī)模、深度相對不大，但發(fā)生頻次非常高，是當前各城市普遍存在的威脅人民生命財產(chǎn)的重要危險源。如2013年7月5日，長沙湘中路突然發(fā)生塌陷，坑口面積30 m2，一臺轎車掉進坑中被吞沒，致使一人喪生，其附近就是市政地下工程施工地;2012年4月1日，北京車公莊大街路面突然塌陷，造成一行人掉進坑中身亡，據(jù)查塌陷是由于熱力管道漏水引起;2009年10月2日，重慶井盛路發(fā)生面積100 m2、深6 m塌陷，塌陷部位有5 m寬的排水箱涵;2012年5月27日，西安牛宏路突發(fā)長15 m寬10 m深約6 m大坑，原因是地下半徑1 m的管道斷裂漏水。僅公布于媒體的例子就不勝枚舉，因此這些應(yīng)作為城市道路地下塌陷危害檢測評估方法研究的主要對象。

二、地下空洞探測的物探方法

根據(jù)要探明的地下空洞的位置、深度、大小等特征，選擇不同的物探方法或采用綜合方法進行探測工作。目前比較有效的物探方法有以下幾類。

1.普通電法類［3］

普通電法利用空洞與周圍介質(zhì)的電阻率差異，通過研究地下人工供電電流的分布特征，推測地下空洞的位置、深度、大小等特征。用于地下空洞的普通電法探測裝置主要有兩種:①對稱四極測深，對稱四極測深是通過調(diào)整AB和MN極距改變探測深度和分辨率，曾在貴州、云南等地巖溶地區(qū)高速鐵路路基探測中發(fā)揮很大作用［4］;②高密度電法，高密度電法裝置較多，采集數(shù)據(jù)量大、分辨率高，在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。探測地下空洞一般采用溫納裝置α，道數(shù)和道距根據(jù)目標體的深度和大小確定。道距一般1～2 m，道數(shù)60～120道。對于深度較小的目標體，也可選擇α2裝置或微分裝置，提高分辨率。

2.電磁法類

用于地下空洞探測的電磁法勘探主要有兩種:①音頻大地電磁測深，音頻大地電磁測深是通過在地表接收音頻大地電磁電場、磁場信號，計算卡尼亞電阻率，分析地下介質(zhì)的電阻率變化特征，推測地下空洞的位置、埋深、大小等特征。音頻大地電磁測深探測深度大，適合探測埋深較大的地下空洞，目前較常用的儀器是美國生產(chǎn)的連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀EH4。②探地雷達［5-6］，探地雷達是向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收反射回來的電磁波，研究地下空洞的位置、深度、大小等特征。探地雷達分辨率高、工作效率高、探測深度較小，適合城市道路地下空洞及防空洞探測。道路地下空洞一般深度較小，宜選用中低頻天線進行探測。空洞深度較大時，一般5m左右，宜選用低頻天線進行探測。

3.淺層地震法類［7-8］

淺層地震勘探是利用地下不同介質(zhì)的波阻抗差異，通過研究人工激發(fā)的地震波的傳播特征，推測地下空洞的位置、深度、大小等特征。該方法分辨率高，但生產(chǎn)成本較高，數(shù)據(jù)處理流程復(fù)雜。用于地下空洞探測的淺層地震主要有3種方法:①地震縱波反射波勘探;②地震橫波反射波勘探;③地震面波勘探。地震縱波反射波勘探用于埋深幾十米以下的目標物探測，適用于采空區(qū)等探測。地震橫波反射波勘探和面波勘探探測深度較小、分辨率高，適合埋深較小的地下空洞探測。

城市道路空洞埋深較淺，僅在地下數(shù)米之內(nèi)，一般淺層物探方法均應(yīng)有一定效果，但因空洞所處道路環(huán)境，普通電法類要求的接地條件無法滿足，淺層地震法類要求的布置多道探頭、檢波器操作難度較大，這兩類方法實用性不夠，對個別點探測尚可，面積性檢測評估采用較少。在上述探測地下空洞的物探方法中，測深能力與道路地下空洞相匹配，又適合城市道路約束環(huán)境的方法，目前最佳選擇是電磁法類的探地雷達法。

三、探地雷達應(yīng)用環(huán)境條件分析

地球物理探測技術(shù)方法應(yīng)用的前提是探測目標與其周圍介質(zhì)存在可檢測到的物性差異，話即，存在相應(yīng)的物性差異時，就能將目標體探測出來。在城市道路探測地下空洞，應(yīng)用探地雷達方法的物性條件充分。一般來講，當探測目標體與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)差異大于1時，雷達就可以檢測到反射。實際上城市路基介質(zhì)(混凝土、瀝青、土石層等)介電常數(shù)盡管因含水量不同而變化較大，但一般范圍是二點幾到二十幾之間;而空洞的介電常數(shù)一般是充空氣時為1，充滿水時為81，或上氣下水兩者兼有，不管哪種情況路基與空洞的介電常數(shù)差異都遠大于1，滿足物性前提要求。另外，空洞的頂板埋深與空洞的空間尺度(直徑)之比一般小于1，空洞體規(guī)模相對較大，保證了雷達探測能力。城市道路地下空洞探測存在如此優(yōu)越的地球物理前提條件，但實踐中雷達檢測效果卻未能顯示出其應(yīng)有的探測能力。這里除了儀器設(shè)備的性能因素外，應(yīng)和雷達方法應(yīng)用在城市的復(fù)雜環(huán)境中有直接關(guān)系。首先，道路地下空洞附近有城市基礎(chǔ)設(shè)施的包圍，包括各種管道、溝涵、窨井和地上地下線纜，稍遠有規(guī)模不一的各種構(gòu)筑體、建筑物，它們對探測電磁信號的影響很難進行定量評估;其次城市電力、通信設(shè)施產(chǎn)生的電磁場、無線廣播、通信發(fā)射基站的電磁波、地下雜散電流信號等產(chǎn)生的干擾信號強弱變化大、頻率范圍廣;再次檢測施工時很難避開的行駛的汽車、電車、城軌列車等產(chǎn)生的隨機干擾影響等，這些很難壓制、剔除的電磁波信號干擾到雷達電磁波信號，造成雷達提取的有效電磁波信號失真，加之道路路基的基質(zhì)非常不均勻、含水量差異大導(dǎo)致路基基質(zhì)介電常數(shù)很不穩(wěn)定，數(shù)值變化范圍很寬，這為雷達檢測參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)信息處理解釋帶來困難。在上述種種因素疊加影響下進行的雷達道路地下空洞探測，其檢測效果未能達到理想狀態(tài)就是可以理解的了。但這不能阻止我們克服困難去努力探索解決實際問題的路徑。

四、探地雷達應(yīng)用于道路塌陷危害檢測評估的幾個問題

城市道路塌陷危害檢測評估有別于道路空洞應(yīng)急處理點的探測，它是對城市道路內(nèi)所有可能造成危害的空洞準確位置、規(guī)模大小及分布狀況進行整體普查評價，并作出處理方案。這就要求現(xiàn)在使用的探地雷達從儀器性能、數(shù)據(jù)解釋到施工路線設(shè)計均應(yīng)改進提升。突出表現(xiàn)有以下幾個問題。

1.使用天線頻率與探測深度問題

一般情況下，儀器設(shè)備探測深度的能力與無線的發(fā)射功率有關(guān)，功率越大探測越深;與天線的使用頻率有關(guān)，采用頻率越高，信號的表減越快，探測深度就變小。試驗表明，100 MHz天線(24 bit)單程深度，花崗巖為120～140 m，灰?guī)r為80～90 m，頁巖為5～6 m，路基介質(zhì)接近頁巖，基本反映道路空洞的探測要求。400MHz天線路基介質(zhì)中探測能力應(yīng)在2 m之內(nèi)，探測深度不夠，要增加探深除非增強發(fā)射功率，目前還沒能做到。但一般還是采用400 MHz天線工作。

2.使用天線頻率與水平分辨能力問題

使用不同天線頻率水平分辨能力差異較大，100 MHz天線水平分辨能力見表1，對路基介質(zhì)水平分辨能力大致為，H=1 m時1.5 m內(nèi)，H=2 m時2 m之內(nèi)，400 MHz天線水平分辨率有所提高，水平分辨能力大致是100 MHz天線的一半?？梢?00 MHz天線剛剛滿足探測要求。

表1 不同介質(zhì)中的分辨率Rf=(λH+λ/4)1/2

3.雷達高速探測與跟蹤定位問題

以往MARK、卷尺測量定位方式，不能適應(yīng)高速探測定位要求。高速探測與實時GPS測量結(jié)合，便于快速定位坐標異常點和對異常點進行實地現(xiàn)場勘查，也可以在大比例尺地形圖上進行初步干擾因素分析判斷，降低作業(yè)強度，達到快速分析評價的目的。

4.雷達探測作業(yè)部署的針對性問題

雷達高速探測無論每小時檢測多少千米，都屬于線狀檢測，如何完成城市道路整體檢測評價值得研究。如采用高密度線對道路檢測，檢測成本高，實施周期長，可能難以承受。若結(jié)合城市管網(wǎng)圖，選擇關(guān)鍵線路布置重點檢測線開展工作，應(yīng)能起到事半功倍的效果。

五、探地雷達探測空洞塌陷實例

1)江西省贛州市宋代古排水涵洞由于年代久遠無資料可查，為了進行保護性開發(fā)利用，對其開展雷達探測工作，圖1為埋深1.0 m、寬1.2 m、高1.5 m的古排水涵洞實際探測成果圖。

圖1 贛州市地下排水涵洞探測圖

2)河北省保定市2012年夏季發(fā)生暴雨災(zāi)害后，多地村莊出現(xiàn)地面塌陷，為預(yù)測可能再次出現(xiàn)塌陷的地面范圍，對重點區(qū)域進行了雷達探測，以指導(dǎo)防災(zāi)工作，圖2為實測結(jié)果解釋推斷剖面圖。

圖2 保定市塌陷區(qū)探測推斷解釋剖面圖

3)天津市靜海宋代古墓探測，圖3為探地雷達實測圖像，圖中方形區(qū)域為古墓主體，表現(xiàn)為完整的反射弧，深度在1～1.5 m，寬度約2 m。

圖3 靜海古墓探測推斷剖面圖

六、結(jié)束語

全國各城市道路塌陷災(zāi)害事故給人們帶來的生命與財產(chǎn)威脅越來越大，應(yīng)盡快研究出適合對城市道路快速、準確、便捷和經(jīng)濟的空洞塌陷檢測評估方法體系，化解道路塌陷危害問題，滿足社會需求，為社會服務(wù)。盡管探地雷達應(yīng)用于道路塌陷危害檢測評估還存在一些問題和不足之處，還需要大量改進與提升工作，但該方法仍是目前較合理的選擇。

［1］伍法權(quán).中國21世紀若干重大工程地質(zhì)與環(huán)境問題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2001，9(2):115-120.

［2］宋谷長.北京市城市道路塌陷成因分析及對策分析［J］.城市道路與防洪，2011(8):250-252.

［3］李金銘.電法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，1990.

［4］李堅.綜合物探法在南昆線巖溶復(fù)查工作中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，1998，34(5):42-47.

［5］張臘根，劉基.高密度電法在巖溶地區(qū)路基勘察中的作用［J］.土工基礎(chǔ)，2006，20(5):69-71.

［6］王喜遷.高密度電法在巖溶探測中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，39(5):55-57.

［7］何剛剛.探地雷達在公路檢測中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2012(15):188-190.

［8］郭貴安，魏柏林.井間電磁波CT技術(shù)在溶洞探測中的應(yīng)用［J］.華南地震，1999，19(4):28-34.