綜合物探方法在地下空間隱患調(diào)查中的應(yīng)用

蔡向陽(yáng)，徐子橋

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動(dòng)諸如大規(guī)模的工程建設(shè)和快速的城市擴(kuò)張等對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響越來(lái)越大，這使得我們賴以生存的地質(zhì)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生深刻的變化。近年來(lái)，城市地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，已嚴(yán)重危害到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全以及城市的建設(shè)與發(fā)展。城市的現(xiàn)代化發(fā)展引起的環(huán)境變化也限制了傳統(tǒng)物探手段對(duì)城市地質(zhì)的勘查、評(píng)估及監(jiān)測(cè)，如何快速有效地對(duì)城市地下空間隱患進(jìn)行調(diào)查、評(píng)估及治理是城市發(fā)展亟需解決的重大問(wèn)題之一。本文以太湖縣某居民小區(qū)地下空間隱患調(diào)查為例，使用微動(dòng)探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)綜合物探方法，在無(wú)損地表環(huán)境、確?？碧骄鹊那闆r下，完成了對(duì)研究區(qū)地下10m 以淺地質(zhì)情況勘查，并對(duì)地下空間隱患進(jìn)行了論證，為后續(xù)的地下空間隱患評(píng)估和治理提供了地球物理依據(jù)。表明了以微動(dòng)探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)組合的綜合物探方法在城市地下空間隱患調(diào)查過(guò)程中能發(fā)揮重要作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)工程勘察報(bào)告，區(qū)內(nèi)巖土層根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征、性質(zhì)及分布情況，由上到下可分為五層，分述如下：

第①層：雜填土（Q）：場(chǎng)地內(nèi)均有分布。雜色，松軟狀，主要由黏性土及少量建筑垃圾組成，厚度一般為0.4～3.0m。第②層：粉質(zhì)黏土（Q）：場(chǎng)地內(nèi)均有分布。褐紅、黃褐色，硬-硬塑狀，稍濕，有砂感、黏性，切面有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，厚度一般為1.5～5.6m。第③層：中粗砂（Q）：場(chǎng)地內(nèi)均有分布?；野?、褐灰色，飽和，稍—中密狀，夾有粉質(zhì)黏土，為片麻巖殘積土，含有長(zhǎng)石、云母等，厚度一般為5.0～15.0m。

第④層：強(qiáng)風(fēng)化片麻巖：場(chǎng)地內(nèi)均有分布?；野?、淺灰色，斑狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，由石英、長(zhǎng)石、云母等組成。巖性多呈塊狀及土狀，干鉆不易鉆進(jìn)，遇水易軟化，屬極軟巖，破碎，厚度一般為1.0～1.7m。

第⑤層：中風(fēng)化片麻巖：場(chǎng)地內(nèi)均有分布。褐灰、淺灰色，斑狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，由石英、長(zhǎng)石、云母等組成。巖性呈碎塊狀及短柱狀，錘擊不清脆，輕易擊碎，屬軟巖，較完整。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)3.0～10.0m 分布有一層中粗砂，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強(qiáng)，弱承壓，主要接受大氣降水補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給，向開(kāi)挖側(cè)排泄，水位埋深0.4～0.8m，變幅0.5～1.0m。由于受研究區(qū)周邊地形開(kāi)挖排泄地下水的影響，該含水層水力坡度較大，徑流較強(qiáng)烈。

2 研究區(qū)物性特征

研究區(qū)內(nèi)地層主要為回填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、風(fēng)化的片麻巖等，其電性參數(shù)和橫波速度特征如表1。

表1 研究區(qū)常見(jiàn)介質(zhì)物性參數(shù)Table 1.Physical parameters of common media in the study area

介質(zhì)的松散程度、孔隙度等會(huì)影響到地下介質(zhì)中電磁波的傳播速度，且若出現(xiàn)地下介質(zhì)疏松不密實(shí)，或地下裂縫、裂隙發(fā)育等情況，地下介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生對(duì)電磁波的吸收和反射、折射等情況，從而導(dǎo)致反射波同相軸局部缺失。

地層內(nèi)S 波速度不僅與巖性有關(guān)，還與密度、埋深、地層地質(zhì)年代、孔隙度、流體成分、溫度和壓力等有著密切的關(guān)系。

3 物探方法與測(cè)線布置

3.1 微動(dòng)探測(cè)

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)即是從微動(dòng)信號(hào)中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過(guò)對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，通過(guò)S 波速度在不同深度層次的高低變化，進(jìn)行介質(zhì)分層及不良地質(zhì)體的物探方法。

本文微動(dòng)探測(cè)臺(tái)陣為直線型，臺(tái)陣臺(tái)站間距為1m、2m 和4m，測(cè)量時(shí)共布置11 臺(tái)檢波器，7 臺(tái)組合為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行3 個(gè)點(diǎn)測(cè)量（圖1）。檢波器主頻2Hz，采樣頻率250Hz。本文數(shù)據(jù)處理利用頻率-波數(shù)譜法逐點(diǎn)提取頻散曲線，再計(jì)算出視S 波速度，得到視S 波速度隨深度變化的曲線，最終得到視S 波速度剖面圖。

圖1 微動(dòng)臺(tái)陣布設(shè)示意圖Figure 1.Layout of microtremor detection array

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是利用地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標(biāo)體的反射電磁波，探測(cè)目標(biāo)體空間位置和分布的一種地球物理探測(cè)方法。其實(shí)際是利用目標(biāo)體及周?chē)橘|(zhì)的電磁波的反射特性，對(duì)目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷(或其他不均勻體)進(jìn)行探測(cè)。

本文采用儀器為瑞典MALA 公司的RAMAC/GPR 地質(zhì)雷達(dá)，選用100MHz 天線，采樣頻率為1700MHz，時(shí)窗設(shè)置為240ns，連續(xù)剖面測(cè)量觀測(cè)方式。

3.3 測(cè)線布置

場(chǎng)地北側(cè)和東側(cè)因修路等原因已在多年前進(jìn)行切坡，場(chǎng)地局部區(qū)域曾出現(xiàn)塌陷，場(chǎng)地西南角為某正在開(kāi)發(fā)樓盤(pán)，在樓盤(pán)進(jìn)行基坑挖掘中場(chǎng)地部分房屋出現(xiàn)開(kāi)裂。物探測(cè)線依建筑物間巷道進(jìn)行布置，在每棟樓前巷道布置1條微動(dòng)探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)的物探綜合剖面，方向自西向東，場(chǎng)地概況及測(cè)線位置分布見(jiàn)圖2。

圖2 物探測(cè)線布置及場(chǎng)地概圖Figure 2.Overview of the layout of geophysical survey lines and the site

4 物探異常特征及綜合分析評(píng)價(jià)

4.1 微動(dòng)探測(cè)異常特征

為能更直觀地顯示研究區(qū)地下情況，將所有微動(dòng)探測(cè)剖面數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行三維速度建模，現(xiàn)選取三維

X

-

Z

方向切片圖（圖3）進(jìn)行異常特征分析。微動(dòng)剖面速度特征在垂向可分為兩層：第一層為淺部0～3m之間的低速層，速度范圍200～300m/s，主要為雜填土和粉質(zhì)黏土的反映；第二層為3～10m的高速層，波速范圍300～400m/s，主要為中粗砂層的反映。場(chǎng)地速度特征在水平方向呈現(xiàn)，自南向北低速層逐漸變深，自西向東低速層范圍也逐漸變大的特征。

在已知房屋開(kāi)裂問(wèn)題嚴(yán)重的2#、3#樓區(qū)域（L3 線和L4 線各剖面西段距離2～8m），都對(duì)應(yīng)上述低速，在微動(dòng)探測(cè)結(jié)果圖上表現(xiàn)為：L3 線和L4 線該段西側(cè)埋深3～8m 存在明顯的低速閉合圈異常，這與基坑開(kāi)挖時(shí)因中粗砂流失形成的地質(zhì)體局部不密實(shí)甚至空腔等地質(zhì)情況有關(guān)。在以往發(fā)生塌陷區(qū)域（L6線剖面水平距離40～46m），微動(dòng)探測(cè)結(jié)果圖顯示，該區(qū)域埋深2～6m 存在低速凹陷異常，推測(cè)此處和塌陷后回填土波速較低相關(guān)。在L9 線剖面水平距離35～54m、埋深2～6m存在低速片狀異常。

這些已知地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的微動(dòng)剖面上都有明顯的低速異常，微動(dòng)探測(cè)能很好地反映研究區(qū)地下空間隱患點(diǎn)情況。在圖3 中我們也可以看到L4 線水平距離51～53m、埋深3～7m，L5 線水平距離43～47m、埋深4～8m和L8線水平距離18～22m、埋深3～7m 都存在低速閉合圈異常，推測(cè)這些位置地下砂層也存在流失。

圖3 微動(dòng)探測(cè)X-Z方向切片圖Figure 3. X-Z direction slices of microtremor detection

4.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)異常特征

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地下空間不密實(shí)體和空腔體反應(yīng)靈敏，能夠與微動(dòng)探測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證，相互補(bǔ)充，提高物探解釋質(zhì)量。

由L3 線、L4 線和L5 線地質(zhì)雷達(dá)剖面（圖4）均可見(jiàn)，在深度3～4m 存在不連續(xù)的彎曲反射界面，推斷為粉質(zhì)黏土層與中粗砂層分界面。在L3線和L4線對(duì)應(yīng)房屋開(kāi)裂嚴(yán)重區(qū)域，襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，信號(hào)為強(qiáng)反射信號(hào)，同相軸不連續(xù)、錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布，推測(cè)異常為地下介質(zhì)不密實(shí)或脫空（圖4上、中）；在微動(dòng)推測(cè)的L4 線水平距離51～53m 和L5 線水平距離43～47m 異常區(qū)，在地質(zhì)雷達(dá)影像圖上反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，表現(xiàn)為平緩的雙曲線波形特征，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大，推測(cè)異?？赡転榫植棵摽眨▓D4中、下）。

圖4 L3線（上）、L4線（中）和L5線（下）地質(zhì)雷達(dá)影像圖Figure 4.Line 3 (top),line 4 (middle) and line 6 (bottom)ground penetrating radar images

4.3 綜合分析評(píng)價(jià)

根據(jù)微動(dòng)探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果分析，研究區(qū)地下空間松散不密實(shí)區(qū)主要集中在埋深2～6m 處，該層位主要為粉質(zhì)黏土層（Q）與中粗砂層（Q），地層不密實(shí)區(qū)范圍較大。當(dāng)?shù)叵螺^強(qiáng)滲透性的中砂層產(chǎn)生滲流，水位下降后，中粗砂層失水固結(jié)，土體收縮，中粗砂層上界面與低滲透性的粉質(zhì)黏土底層接觸處首先產(chǎn)生脫空不密實(shí)區(qū)域，繼而發(fā)展到地面出現(xiàn)沉降及裂縫。

在房屋開(kāi)裂程度中，遠(yuǎn)離基坑開(kāi)挖區(qū)域的9#樓開(kāi)裂程度較嚴(yán)重。結(jié)合場(chǎng)地情況，該區(qū)域位于護(hù)坡邊緣，護(hù)坡內(nèi)外高差較大，導(dǎo)致淺層地下水水力坡度較大，而基坑開(kāi)挖時(shí)處在太湖縣梅雨期，降雨量較大，為地下淺層中粗砂流失提供了有利條件。基坑開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械擾動(dòng)，則進(jìn)一步加劇了這一區(qū)域的中粗砂流失，從而產(chǎn)生地面沉降加速現(xiàn)象。同理，3#、4#、5#、6#、7#、8#樓東端和9#樓區(qū)域，也處于護(hù)坡邊緣，從微動(dòng)探測(cè)埋深5m 水平切片（圖5）我們可以看出，這些區(qū)域在埋深5m 處低速異常明顯，說(shuō)明該區(qū)域地層存在松散化趨勢(shì)，易發(fā)生地面沉降和塌陷，故應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，并對(duì)地層穩(wěn)定性、承載能力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

圖5 微動(dòng)探測(cè)埋深5m水平方向切片圖Figure 5.Horizontal slices of microtremor detection within buried depth of 5m

研究區(qū)地下空間隱患形成為多要素引起：首先是場(chǎng)地的特殊地質(zhì)條件，土層松散、淺部砂層發(fā)育且易流失以及潛水含水層滲透性好；其次是人為工程活動(dòng)的影響，場(chǎng)地周邊切坡、深基坑開(kāi)挖都破壞了地下空間原有的平衡；最后是強(qiáng)降雨導(dǎo)致地下水徑流量大。以上三點(diǎn)因素的共同作用，導(dǎo)致研究區(qū)地下空間存在隱患。

5 結(jié)論

通過(guò)綜合物探手段，對(duì)研究區(qū)地層進(jìn)行了分層，地下空間隱患主要存在于第二層，其形成原因?yàn)閳?chǎng)地地質(zhì)條件、人為工程活動(dòng)和強(qiáng)降雨等多因素共同作用。其導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的形成過(guò)程為流砂→地下砂土層不密實(shí)或脫空→地面沉降、塌陷。對(duì)本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的地下空間隱患處應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性預(yù)防和采取治理措施，最大程度降低地面沉降、地表建筑受損等風(fēng)險(xiǎn)。

微動(dòng)探測(cè)結(jié)果較地質(zhì)雷達(dá)更為直觀，有足夠的探測(cè)深度，并可實(shí)現(xiàn)三維建模來(lái)綜合分析地表建筑物地下空間形態(tài)；而地質(zhì)雷達(dá)在數(shù)據(jù)采集效率上明顯高于微動(dòng)探測(cè)，特別在建筑群的內(nèi)、外開(kāi)展短剖面測(cè)量時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。兩種方法相結(jié)合能夠更準(zhǔn)確地探知城市建成區(qū)地下空間存在的隱患。