地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在城市地下隱患探測中的應(yīng)用

夏培XIA Pei

（武漢市測繪研究院，武漢 430022）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，使綜合管廊、建筑工程、地鐵等城市基礎(chǔ)建設(shè)迅猛發(fā)展。各類工程對地下空間的開發(fā)力度越來越大，需要對地下隱患（如空洞、脫空、疏松體、歷史廢棄地下室）等進(jìn)行準(zhǔn)確定位，指導(dǎo)工程安全施工和危害預(yù)防。高密電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法作為重要的淺地表工程勘探技術(shù)，是工程施工前期獲取地質(zhì)資料的重要手段，已被廣泛應(yīng)用于地鐵、隧道地質(zhì)勘查、城市道路隱患檢測、礦產(chǎn)空洞檢測等工程項(xiàng)目的建設(shè)與維護(hù)中[1-3]。

高密度電阻率法以地下不同介質(zhì)體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，地質(zhì)雷達(dá)是以地下不同介質(zhì)體的介電性差異為基礎(chǔ)。兩種物探方法在適用條件、探測對象、分辨率以及探測范圍都有所區(qū)別。本文有針對性地選取地質(zhì)雷達(dá)和高密度電阻率法進(jìn)行組合，針對同一工區(qū)探測地下空間存在的空洞、脫空、疏松體、廢棄人防等隱患。

1 探測方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)通過發(fā)射天線T 在地表發(fā)射高頻電磁脈沖波，當(dāng)電磁波遇到不同的媒質(zhì)界面時便會發(fā)生反射和透射，反射波返回地面，被接收天線R 所接收，地質(zhì)雷達(dá)的工作原理如圖1 所示。實(shí)測時將雷達(dá)天線緊貼于地面，沿測線連續(xù)滑動；雷達(dá)主機(jī)實(shí)時記錄每個測點(diǎn)反射波的時間和振幅值，構(gòu)成連續(xù)雷達(dá)剖面。本次探測采用美國GSSI公司SIR-4000 型探地雷達(dá)儀，該系統(tǒng)具有數(shù)字化程度高、透深能力強(qiáng)、探測范圍廣、分辨率高以及實(shí)時數(shù)據(jù)處理和圖像顯示等特點(diǎn)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

地質(zhì)雷達(dá)探查是利用異常體與周圍土壤層介質(zhì)的電性差異來實(shí)現(xiàn)的。不同介質(zhì)間的接觸面及同一種介質(zhì)內(nèi)部的不連續(xù)面都是良好的雷達(dá)波反射界面，當(dāng)雷達(dá)波在傳播過程中遇到這些界面時，都會發(fā)生不同程度的反射、透射、散射或衍射，這些現(xiàn)象集中反映在地質(zhì)雷達(dá)記錄的波形和波阻抗特征的變化上。如果在空洞或疏松異常的邊界，則在地質(zhì)雷達(dá)剖面上顯示為強(qiáng)反射信號、同相軸錯斷，不連續(xù)等特征。分析研究雷達(dá)記錄所接收的回波的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特征，就可以判定廢棄人防和空洞等隱患的具體位置。

1.2 高密度電阻率法探測

高密度電法是一種陣列電法勘探[5]，其以目標(biāo)物及與周圍巖、土體的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，從而達(dá)到解決地質(zhì)以及工程問題的目的。高密度電法和常規(guī)電法一樣，通過A、B 電極向地下供電流，在M、N 極間測量電位差，從而可求得MN 中點(diǎn)的視電阻率，工作原理見圖2。本次探測選用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-4 高密度電法測量系統(tǒng)，由WDJD-4 型多功能直流激電儀和60 道多路電極轉(zhuǎn)換器組成。

圖2 高密度電法工作原理

與常規(guī)直流電法的分析解釋不同，高密度電法的成果分析解釋必須依靠高性能的計(jì)算機(jī)和具有良好解釋效果的分析軟件。經(jīng)過比較，本文使用的數(shù)據(jù)處理軟件是瑞典高密度處理軟件RES2DINV。通過修整數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)深度轉(zhuǎn)換系數(shù)，選擇等值線間隔，一般迭代4～5 次即可得到較為滿意的反演結(jié)果。

高密度電阻率法確定地下異常體主要基于目標(biāo)體與圍巖的電阻率差異。對于溶洞、不均勻體、地下空洞、廢棄人防等地下異常體類型，在探測時通常采用球形或矩形作為模型，如果干燥或僅含氣體，表現(xiàn)為高阻異常特征；充水和充泥空洞，表現(xiàn)為低阻異常特征。

2 工程案例

武漢市一建設(shè)工地，初步懷疑工地內(nèi)可能存在廢棄人防或地下空洞，會對施工帶來安全隱患。經(jīng)過前期調(diào)研工程物探方法中地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法對于探測空洞等地下隱患結(jié)構(gòu)是非常有效的，同時綜合場地大小、地面平整度等現(xiàn)場環(huán)境，以及施工的經(jīng)濟(jì)性便利性，本文采用高密度電阻率法以及地質(zhì)雷達(dá)兩種物探方法，探測工地下方是否存在空洞、脫空、疏松體、地下人防等隱患，處理分析探測數(shù)據(jù)，找到隱患點(diǎn)。

2.1 測線布置

依據(jù)探測區(qū)域現(xiàn)場情況，布置地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法探測線。為獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，高密度電法選取了1m 的密集測深點(diǎn)距布極，地質(zhì)雷達(dá)測線選用200MHz 屏蔽天線，采樣率50 次/米。測線覆蓋整個探測區(qū)域，根據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行局部測線加密。測線布設(shè)具體參考圖3，紅色線為高密度電阻率布線，藍(lán)色線為地質(zhì)雷達(dá)布線。

圖3 物探測線布置圖

2.2 探測成果

2.2.1 高密度電阻率探測剖面

因場地施工受限，本次野外數(shù)據(jù)采集一共采集到八條高密度電阻率法剖面，每條測線長59m，電極距1m。

從圖4 所示反演結(jié)果中可以看出：電阻率在該剖面圖上分布較均勻，物性分層較為明顯。在淺表深度范圍0-2m為相對高阻層，該層電阻率值在100-400Ωm 范圍內(nèi)，現(xiàn)場觀測到可能是松散的混泥土路基以及淺埋的建筑垃圾。位于測線16-34m，深度2.5-7.7m 處出現(xiàn)大面積連續(xù)低阻體，電阻率值在0.4-3Ωm 范圍內(nèi)，圖中紅框表示，推斷其很有可能是飽和水的地下結(jié)構(gòu)。結(jié)合前期人防資料，推斷此處為廢棄人防結(jié)構(gòu)充滿地下水，形成的異常低阻體。

圖4 l2 測線測量視電阻率反演剖面

查閱的地下人防資料（如圖5），將歷史資料獲取的人防位置與探測出的人防位置進(jìn)行比對（如圖6），在本次探測范圍線內(nèi)兩者位置基本一致。

圖5 地下人防歷史建設(shè)圖紙

圖6 地下人防探測位置與歷史資料位置比對圖

該區(qū)域布設(shè)的地質(zhì)雷達(dá)測線L31，針對人防異常體探測效果不佳，分析原因有以下兩點(diǎn)：①該區(qū)域建筑垃圾堆積較多導(dǎo)致地面嚴(yán)重凹凸不平，地質(zhì)雷達(dá)天線測量不能很好的貼合地面，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量；②充填水的地下空洞，對雷達(dá)波呈現(xiàn)強(qiáng)吸收特征，雷達(dá)記錄上回波衰減嚴(yán)重，不利于中深部成像，達(dá)不到探測要求。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測剖面

對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：①自動變換增益或控制增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收衰減，實(shí)現(xiàn)道內(nèi)均衡；②取相鄰道數(shù)據(jù)平均以壓制非目的體雜亂回波與空間隨機(jī)干擾，改善背景；③時間域?yàn)V波處理或頻率域?yàn)V波以壓制高頻雜波干擾、降低背景噪聲和余振影響。

下面進(jìn)行典型地質(zhì)雷達(dá)剖面解釋分析。

①地質(zhì)雷達(dá)測線L10。

測線L10 中39.2m-44.8m 范圍，地下深度2.2m-5.0m，圖中用紅色線框出，反射波具有明顯的頂界面，多次波表現(xiàn)連續(xù)平板狀結(jié)構(gòu)，懷疑是具有頂板和底板結(jié)構(gòu)的空洞。后經(jīng)施工單位開挖核實(shí)，此處為歷史建筑的地下室。（圖7）

圖7 地質(zhì)雷達(dá)測線L10 剖面分段詳圖

②地質(zhì)雷達(dá)測線L13。

測線L13 中5.6m-8.4m 范圍，地下深度0.4m-1.6m，圖中用紅色線框出，同向軸不連續(xù)，內(nèi)部波形結(jié)構(gòu)較雜亂，多次波明顯，懷疑是小型空洞或脫空。經(jīng)過現(xiàn)場鉆孔驗(yàn)證，采用鉆孔內(nèi)窺鏡目標(biāo)內(nèi)部影像信息，確定此處存在小型空洞。（圖8）

圖8 地質(zhì)雷達(dá)測線L13 剖面分段詳圖

針對上述小型空洞以及遺留建筑基礎(chǔ)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)高密度電法探測效果不佳，分析原因有以下兩點(diǎn)：①遺留建筑的基礎(chǔ)大多為混凝土，其電阻率與周圍介質(zhì)相差不大，高密度電法基于電阻率差異很難區(qū)分；②小型脫空或者空洞體積較小，相比于地質(zhì)雷達(dá)高密度電法分辨率較低，對于細(xì)部目標(biāo)的探測能力不足。

3 結(jié)論

本文開展地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法在城市地下隱患探測中的應(yīng)用研究，得到以下結(jié)論：①地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法組合對于探測廢棄人防、空洞、脫空等城市地下隱患結(jié)構(gòu)是有效的，能夠準(zhǔn)確探測隱患位置。②地質(zhì)雷達(dá)外業(yè)操作方便、快捷，適合大范圍初探；且具有良好的分辨率，探測深度相對較淺，適合探測淺層小型空洞。地質(zhì)雷達(dá)不適用于大范圍較深的含水結(jié)構(gòu)探測，水對雷達(dá)波呈現(xiàn)強(qiáng)吸收特征，雷達(dá)記錄上回波衰減嚴(yán)重，成像效果較差。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集需天線貼地，對場地平整性有一定要求，不適用于地面特別凹凸不平的施工場地。③高密度電法外業(yè)采集經(jīng)過釘?shù)剽F、鋪設(shè)線纜、電極澆鹽水、回收地釬線纜等多個步驟，耗費(fèi)較大人力、采集效率偏低，適用于具有一定目標(biāo)指向性的精細(xì)探測。高密度電法探測深度深，對于含水結(jié)構(gòu)的探測敏感性高，適用于大體積深度較深的含水空洞探測。由于高密度電法需要將地釬釘入地面下方，對城市硬化路面具有一定的破壞，更適用于綠化帶、施工區(qū)這樣的場地。