物探方法在預(yù)防路面塌陷中的應(yīng)用

徐曉英，徐萬祥，張俊偉，歐陽偉

（山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，濟南 250101）

0 引言

近年全國各個省市，從一線大城市到二、三線中小城市都發(fā)生過不同程度的路面塌陷事故。多起路面塌陷事故造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失和社會影響[1]。2019年12月1日，廣州地鐵11號線附近地陷致3人失聯(lián)；2019年12月12日，廈門呂厝地鐵1、2號線外施工現(xiàn)場近500 m2地面塌陷，致水管破裂，地鐵站內(nèi)進水。2020年1月13日，西寧南大街長城醫(yī)院門前發(fā)生路面坍塌，一公交車瞬時陷入地陷路面，該事故死亡9人，受傷17人。

路面塌陷對人民群眾生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重影響，同時導(dǎo)致交通不便、各種通訊、輸水、輸氣及電力等基礎(chǔ)設(shè)施的損壞和中斷，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟建設(shè)造成極大的影響。所以探測地下“病害體”，及時對道路進行填補、修復(fù)，可以減少道路塌陷事故的發(fā)生、降低道路塌陷事故的損失。

1 路面塌陷的原因分析

1.1 內(nèi)在原因

城市地下資源大規(guī)模開發(fā)是路面塌陷事故發(fā)生的內(nèi)在原因。城市人口的迅猛增長，使得對交通、通信、電力、給排水、燃?xì)獾鹊男枨蠹眲≡鲩L，城市地下空間的開發(fā)利用無疑是滿足這些需要的有效途徑。這些地下工程改變了上億年形成的地質(zhì)平衡和水動力循環(huán)條件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等現(xiàn)象，加快了形成地下空洞的過程，從而導(dǎo)致路面塌陷。

1.2 直接原因

給排水管（函）不堪重負(fù)而滲漏爆裂是導(dǎo)致城市路面塌陷的直接原因。城區(qū)規(guī)模的擴大，原來的河流湖泊變成了馬路、小區(qū)和廣場，雨水原來就近集中滲漏排泄的渠道被封閉，城市排水集中到原本建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高的管函中，隨著排水壓強和流速越來越大，造成管函破裂，泥沙流失，最終導(dǎo)致地面塌陷。老城區(qū)的給水管也隨著負(fù)擔(dān)日益加重，銹蝕日趨嚴(yán)重而導(dǎo)致破裂，水土流失，日積月累，逐漸形成大的空洞而釀成地面塌陷。

2 探測方法及應(yīng)用

為了查清排水管網(wǎng)周邊是否存在地下“病害體”[2]，采用地質(zhì)雷達(dá)法和淺層地震勘探法對管網(wǎng)兩側(cè)各3 m范圍進行探測，通過數(shù)據(jù)分析，確定地下“病害體”的位置。在導(dǎo)致道路塌陷之前，對已經(jīng)形成的以及正在擴大的地下“病害”提出整治意見，及時填補和修復(fù)，預(yù)防地面塌陷的發(fā)生。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法的應(yīng)用

2.1.1 地質(zhì)雷達(dá)法的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)法是一種利用高頻電磁波信號探測介質(zhì)結(jié)構(gòu)分布的非破壞性探測技術(shù)，通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(biāo)體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。具體工作原理是：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電差異的介質(zhì)界面時，會反射、透射和折射（圖1）。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)間介電常數(shù)存在較大差異時，雷達(dá)發(fā)射的電磁波一般會在其界面發(fā)生反射，反射波形態(tài)與地下介質(zhì)（巖石、空氣、粘土等）的性質(zhì)、賦存狀態(tài)、大小、埋深等因素有密切的關(guān)系。因此，從探測到的雷達(dá)反射波的曲線形態(tài)、振幅強度、相位等特征可以判斷地下介質(zhì)的賦存狀態(tài)、性質(zhì)及空間分布等[3]。

2.1.2 地質(zhì)雷達(dá)法的工作方法技術(shù)

本次地質(zhì)雷達(dá)探測采用剖面法，發(fā)射天線和接收天線為一體式天線沿測線方向同步移動。

正式開工前需要進行儀器性能和儀器一致性檢驗。探測工作使用的儀器為美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-30E型地質(zhì)雷達(dá)，天線頻率為100 MHz，介電常數(shù)9，時窗150 ns，采用連續(xù)測量方式。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

以瑯琊大道點號為HS2801-HS2779路段為例，根據(jù)內(nèi)窺攝像檢測系統(tǒng)（CCTV）探測到的情況，該路段管溝側(cè)壁存在滲水口，可能導(dǎo)致地下介質(zhì)嚴(yán)重疏松、局部存在空洞，故在此位置南北兩側(cè)布置了30 m的地質(zhì)雷達(dá)測線，來確定雷達(dá)探測法對地下“病害體”探測是否有效。數(shù)據(jù)處理后，從圖2中可以看出水平點位10～22 m、深度約1.0～2.5 m范圍內(nèi)雷達(dá)波波形雜亂，同相軸錯斷、起伏，地下介質(zhì)嚴(yán)重疏松。從圖像上看，探測效果明顯。

圖2 瑯琊大道試驗段地質(zhì)雷達(dá)測線剖面圖

2.2 淺層地震勘探法的應(yīng)用

2.2.1 淺層地震勘探法的工作原理

淺層地震勘探法是以地層的波阻抗（Z＝ρ·υ，ρ為巖層的密度，υ為巖層的波速）差異為依據(jù)，通過研究地下不同波阻抗地層的地震波場變化規(guī)律，提供工作區(qū)有關(guān)地下地質(zhì)構(gòu)造信息。在地表，人工激發(fā)的地震波向下傳播，當(dāng)遇到波阻抗不同的分界面時，就會發(fā)生反射、折射和透射。通過高精度地震儀可記錄下這些地震反射波。由于地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的波阻抗不同，而接收到的地震反射波與不同地層的波阻抗有關(guān)，因此儀器接收到的反射波包含各種地質(zhì)信息。對地震波信號進行疊加降噪、褶積、頻譜分析、NMO校正、CDP疊加、圖像合成等數(shù)據(jù)處理，得到地下斷面二維圖像。分析研究地震波中諸如時間、速度、能量、相位、頻率等特征。對圖像判讀解譯，就可以推斷地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)、特殊地質(zhì)體的分布等[4]。

由地表人工激發(fā)的地震波向地下傳播，當(dāng)遇到波阻抗差異明顯的彈性介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射，利用高精度地震儀并采用適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)記錄下的地震記錄就帶有相應(yīng)的地下空洞、土質(zhì)疏松及其他目標(biāo)體的信息，利用專用的地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對采集到的記錄進行編輯處理，得到地下斷面的二維地震圖象，對圖象判讀、解釋，從而推斷地下空洞、土質(zhì)疏松等“病害”的規(guī)模、成因等，達(dá)到探測目的。

2.2.2 淺層地震勘探法的工作方法技術(shù)

通過在地表人工激發(fā)產(chǎn)生地震波，當(dāng)向地下傳播的地震波遇到波阻抗不同的界面時，就會發(fā)生反射、折射和透射（圖3）。淺層地震勘探法就是采用小排列、小道距、小偏移距的一種反射法。

淺層地震勘探法的技術(shù)是在最佳窗口內(nèi)選擇一個偏移距，以等偏移距的方式，采用高精度地震儀記錄反射回的地震波。再對地震波信號進行編輯、頻譜分析、濾波、振幅恢復(fù)等數(shù)據(jù)處理，得到地下斷面的二維圖像。

地震波在地下不同介質(zhì)中的傳播速度各不相同，地下不同介質(zhì)的巖性、密度、波速等的差異使反射波的頻率、振幅、相位等均發(fā)生變化，分析研究地震波中的時間、速度、振幅、相位、頻率等的變化特征，從而推斷地下空洞、土質(zhì)疏松等“病害”的形態(tài)、分布位置、狀況等。

同樣需要先對地震儀和檢波器進行一致性測試。本次淺層地震勘探法使用的儀器為吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所研制生產(chǎn)的Miniseis24型綜合工程探測儀，使用100 Hz檢波器，采用錘擊激發(fā)震源，單道檢波器接收，偏移距為3 m，道距0.2 m，采樣間隔0.1 ms，記錄長度60 ms。處理軟件為GeoCOD淺層地震反射波處理軟件及Geogiga sesismic pro地震數(shù)據(jù)處理軟件。

在瑯琊大道點號為HS2801-HS2779路段同樣位置布置淺層地震勘探法測線，資料處理主要包括格式轉(zhuǎn)換、頻譜分析、濾波、道均衡、增益調(diào)節(jié)、初至提取等，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得地震剖面，從圖4可以看出水平點位11～20 m、深度約1.3～2.8 m范圍內(nèi)地震波雜亂、起伏，同相軸錯斷，推測為地下介質(zhì)嚴(yán)重疏松。與內(nèi)窺攝像檢測系統(tǒng)（CCTV）探測的情況基本吻合，由此可以證明淺層地震勘探法對地下“病害體”的探測同樣是有效的。

圖4 瑯琊大道試驗段淺層地震法剖面圖

3 現(xiàn)場調(diào)查及干擾源分析

老城區(qū)管線探測現(xiàn)場施工條件一般比較復(fù)雜，道路上人流密集、車輛交通流量大，部分路段管網(wǎng)密布，部分區(qū)段商業(yè)店鋪林立，由于部分路段路面沉降、與綠化帶間裂縫較為明顯，所以在探測中需要制定相應(yīng)的處理措施。此外因管線、管溝的填埋年份有先后，材質(zhì)和工藝均有不同，可能產(chǎn)生的破損程度不一。需要施工人員研讀已有的城市管線圖紙、資料，了解目標(biāo)管線的位置、材質(zhì)、埋深等基礎(chǔ)信息，才能做到有目的的開展工作。

3.1 干擾源的分析及解決方法

通過現(xiàn)場調(diào)查，測區(qū)干擾源（表1）有以下特點：

1）部分排水管網(wǎng)材質(zhì)為金屬或內(nèi)含金屬，會使雷達(dá)波波形異常，掩蓋“病害體”的波形異常[5]，對地質(zhì)雷達(dá)法的探測造成影響。所以施工前首先搜集區(qū)域管線圖，仔細(xì)分析管線材質(zhì)、位置，現(xiàn)場布線離金屬管線1.5 m以上，盡量減小管線干擾影響。

表1 影響地質(zhì)雷達(dá)探測的典型干擾源分類

2）探測區(qū)域主要分布在道路路面（機動車、人行道），由于現(xiàn)場人員、車輛交通繁忙，部分區(qū)段商業(yè)店鋪林立，現(xiàn)場施工條件復(fù)雜。故野外施工期間穿戴好防護用品，設(shè)置安全警示標(biāo)志，盡量避開交通高峰期施工，現(xiàn)場配備專人負(fù)責(zé)安全指揮，做到安全、文明施工。

3）排水管網(wǎng)線路部分區(qū)段存在架空或入地高壓線，架空高壓線對地質(zhì)雷達(dá)影響較小，入地高壓線有絕緣屏蔽層，對雷達(dá)有一定影響，無屏蔽層的弱電管線對地質(zhì)雷達(dá)干擾較大。所以需要采用地質(zhì)雷達(dá)法和淺層地震勘探法相結(jié)合的方法。以地質(zhì)雷達(dá)法為主，對地質(zhì)雷達(dá)法得到的物探異常重點區(qū)域布置淺層地震勘探法進行探測、驗證，通過2種方法相結(jié)合，達(dá)到全面、精細(xì)探測的目的。

3.2 異常類型及處理建議

通過對地質(zhì)雷達(dá)及淺層地震法資料的處理和整理歸類，并結(jié)合地下“病害體”分類對物探異常[6]進行分類劃分（表2）。

表2 物探異常特征及處理建議

4 結(jié)論與建議

在城區(qū)排水管網(wǎng)周邊空洞探測中，由于交通繁忙、商業(yè)發(fā)達(dá)、店鋪林立，多有車輛停放在線路上，排水管網(wǎng)線路部分區(qū)段存在架空或入地高壓線，都會對探測結(jié)果產(chǎn)生影響，在單一物探方法無法滿足探測要求的情況下，需要采用綜合物探方法進行探測。由于該項目的有效探測深度為6.0 m，故以地質(zhì)雷達(dá)法為主，在雷達(dá)探測異常區(qū)域采用淺層地震勘探法進行探測，可滿足工程要求。當(dāng)探測深度增加，則需要采取相應(yīng)物探方法進行探測，從而確定地下“病害體”的位置。

致謝 衷心感謝"地下空間光纖智慧感知物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用示范"課題組、山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司趙憲堂總工程師給予的大力幫助。