微動技術(shù)在城市地下病害體探測中的應(yīng)用

馬寧 謝小國 羅兵

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 四川 成都 611730

2.四川省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究中心 四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司 四川 成都 610000

我國許多老舊城市的供水管道系統(tǒng)存在漏水、腐蝕和老化等問題，不僅影響居民正常用水，還加劇了土壤液化、地基沉降等地下工程病害體的發(fā)生。而地鐵隧道施工和運營中可能會遇到地層塌方、地面沉陷和隧道滲水等問題，給城市的交通和環(huán)境安全帶來威脅。尤其是在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的城市中，地下病害體的風(fēng)險更加突出。城市的排水、供電、通信和燃?xì)夤芫W(wǎng)均容易受到破裂、堵塞和腐蝕的影響，其會導(dǎo)致城市功能中斷，極大的干擾居民生活和經(jīng)濟(jì)運行。為了有效應(yīng)對這類問題，我國近年來加大了基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)和改造的力度。包括加強巡檢、加速老舊管道的更新、建立地下勘探和監(jiān)測系統(tǒng)等，而微動勘探技術(shù)的應(yīng)用或能發(fā)揮重要作用，本文將做詳細(xì)討論。

1 常規(guī)探測技術(shù)在城市地下病害體探測中的不足

1.1 電法勘探

電法勘探基于地下巖石或土壤的電導(dǎo)率與其物理性質(zhì)（如含水量、鹽度、孔隙度等）之間的關(guān)系，其通過在地表施加電流，測量地下電場的分布和變化，以獲取地下介質(zhì)的電性信息。由于城市環(huán)境復(fù)雜多變，存在建筑物、地下管線等大量人工干擾信號，可能會影響電法勘探的測量結(jié)果，降低其分辨率和準(zhǔn)確性。盡管這一測量方法對地下介質(zhì)的電導(dǎo)率變化敏感，但并不能直接定量反映地下病害體的具體特征[1]。因此還需要結(jié)合地質(zhì)勘探和其他地球物理勘探方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，才能準(zhǔn)確評估地下病害體的位置、規(guī)模和類型。此外，測點密度的限制同樣也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的局部空缺，從而降低勘探的精度和可靠性。

1.2 地震波勘探

地震波勘探通過激發(fā)地震源產(chǎn)生地震波，然后觀測和分析其在地下介質(zhì)中的傳播和反射情況，從而推斷出地下的構(gòu)造、巖性、裂隙等信息。然而城市區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)條件和人工結(jié)構(gòu)等會發(fā)出多種干擾信號，影響地震波的傳播路徑，導(dǎo)致其多次反射和折射，使數(shù)據(jù)解釋和處理更加困難，降低勘探的準(zhǔn)確性[2]。大量的地震儀器布設(shè)和數(shù)據(jù)采集使得這種勘探方式具有較高的成本、較長的時間周期以及較高的交通運輸要求，其也會對地面造成較大的機械損傷，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境破壞和污染，因此不適用于城市地下病害體的快速檢測和監(jiān)測。

2 微動技術(shù)概述

2.1 微動技術(shù)原理

微動是指地震臺站或其他觀測點記錄到的微小振動信號，通常是來自于地震活動、人類活動、氣象變化、地下水流動或其他自然和人為因素引起的震動。其振幅相對較小，頻率范圍通常在0.1Hz至10 Hz之間，同時其周期、持續(xù)時間也相較于地震信號更長[3]。通過對微動信號的觀測和分析，可以了解地下介質(zhì)的波速結(jié)構(gòu)、地表變動情況以及地震活動等信息。其所具備的特征使得其在地下結(jié)構(gòu)探測、地震監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。微動勘探技術(shù)則能夠通過激發(fā)地表或井口上的震源產(chǎn)生微小的振動信號，然后通過接收器（地震儀）采集地下的微動信號，并對其進(jìn)行分析和解釋，從而獲取地下介質(zhì)的信息。具體而言，借助小型振動器或震撼器等在地表或井口上布置震源，激發(fā)后產(chǎn)生的微小振動信號會以地震波的形式傳播到地下，并在巖石和地層等介質(zhì)作用下衰減、散射和反射，最終被接收器記錄[4]。將采集到的微動信號通過地震儀器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析，利用數(shù)學(xué)算法、信號處理和成像技術(shù)等方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地下介質(zhì)的物理屬性，如速度、密度、衰減等，實現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的成像和解譯。

2.2 微動技術(shù)應(yīng)用方法和步驟

在微動信號的時域表示中，振幅隨時間變化的特點反映了地下介質(zhì)的動態(tài)響應(yīng)。通過監(jiān)測和分析微動信號的振幅變化，可以評估地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形情況，并提供預(yù)警信息。同時，面波在不同頻率下的傳播速度會有所差異，這也與地下介質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)。通過提取微動信號的頻散曲線可以獲得不同頻率下面波的相速度，并進(jìn)一步推斷地下介質(zhì)的密度、彈性模量等性質(zhì)，從而幫助評估地下介質(zhì)的穩(wěn)定性和承載能力。

在分析微動信號時，可使用空間自相關(guān)法提取地下介質(zhì)的面波頻散曲線并推測其物理性質(zhì)。首先，根據(jù)研究目標(biāo)和地下結(jié)構(gòu)的特點選擇適當(dāng)?shù)挠^測區(qū)域。按照一定的規(guī)則（如圓形或線性排列）布置觀測點，至少需要3個觀測點才能進(jìn)行相關(guān)分析，而更多的點位會提供更優(yōu)的結(jié)果[5]。其次，觀測半徑?jīng)Q定了微動探測的深度，一般而言，保證深度為觀測半徑的3～5倍。中心點距離取決于所研究的地下結(jié)構(gòu)尺度以及實際的觀測需求，通?？刂圃?m左右。根據(jù)實際情況選擇合適的地震儀、加速度計等設(shè)備，將其正確安裝在每個觀測點上。確保采集數(shù)據(jù)的時間，以充分記錄地下介質(zhì)自然震動的特性。對采集到的信號進(jìn)行濾波和去噪處理，提高信號質(zhì)量。同時校正儀器的響應(yīng)特性，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的振速或位移單位。為了減少分析的計算量，還可根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)截取，保證數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效性。對每對觀測點之間的信號進(jìn)行相關(guān)分析，計算出空間自相關(guān)函數(shù)。可通過尋找峰值點的索引或擬合等方法尋找峰值并進(jìn)行檢驗，排除由于偶然因素或噪聲引起的誤差。根據(jù)峰值位置和頻率之間的對應(yīng)關(guān)系提取頻散曲線并進(jìn)行分析，推斷地下介質(zhì)的物理性質(zhì)，如波速、密度或土壤類型等。此外，還可以根據(jù)頻散曲線的形狀和特點對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量或定性分析。

3 微動技術(shù)在城市地下病害體探測中的優(yōu)勢

微動技術(shù)利用環(huán)境振動信號進(jìn)行勘探，無需引入人工震源或進(jìn)行鉆孔等破壞性操作，不會對城市基礎(chǔ)設(shè)施和周圍環(huán)境造成過大的損害。其可以提供高頻信號源，并通過面波頻散曲線推斷地下速度結(jié)構(gòu)，具有速度小、分辨率高的特點。因此其能夠有效地探測城市地下所存在的地裂縫、沉降、洞穴等病害體，并提供較為準(zhǔn)確的二維剖面信息。微動技術(shù)采用低頻特性良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無需攜帶復(fù)雜的儀器設(shè)備，可以實現(xiàn)較大的勘探深度，甚至延伸到地下較深的區(qū)域，最大可達(dá)3000m。其操作上更加便捷靈活，并且有利于節(jié)省勘探作業(yè)空間，適宜在城市環(huán)境中進(jìn)行。此外，在相關(guān)軟硬件的研發(fā)以及程序優(yōu)化下，智能化微動技術(shù)可以在線實時顯示勘探的面波頻散曲線，改善數(shù)據(jù)采集過程中的人工控制弊端，提高勘探效率，并確保數(shù)據(jù)采集的實效性[6]。

4 微動技術(shù)在城市地下病害體探測中的應(yīng)用

4.1 地裂縫

地殼運動或地質(zhì)構(gòu)造變動會導(dǎo)致地面破裂而形成地裂縫。對于城市而言，地裂縫發(fā)生時，地面的位移和變形可能導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)破壞，甚至引發(fā)坍塌事故。此外，其還可能使得水、氣體和污染物滲透至地下，進(jìn)一步加劇地下水位下降、土壤沉降等問題。如果地裂縫跨越道路、橋梁和管道等交通和通信設(shè)施，會導(dǎo)致道路斷裂、橋梁破壞和管道泄漏等問題，從而嚴(yán)重影響城市居民的正常出行和生活。微動技術(shù)通過對地表振動信號進(jìn)行采集和分析，可以及時監(jiān)測地裂縫的活動狀態(tài)和變化趨勢。其能夠發(fā)現(xiàn)微弱的地表振動信號，并提供高分辨率的勘探數(shù)據(jù)，精確識別地裂縫的形態(tài)、擴(kuò)展和活動程度。這種無損勘探不需要對地表或地下進(jìn)行破壞性操作，減少了施工對周圍環(huán)境和建筑物的影響。這些特點使得微動技術(shù)在城市環(huán)境中具備地裂縫勘探方面的優(yōu)勢，適用于繁忙的城區(qū)和復(fù)雜的地質(zhì)條件。在其幫助下，相關(guān)人員可以及時了解城市內(nèi)部地裂縫的演化過程，以及時制定相應(yīng)的防治措施，保障城市的安全和穩(wěn)定發(fā)展。

4.2 地面沉降

地面沉降是指由于地下水開采、地下工程施工、地質(zhì)構(gòu)造變動等因素導(dǎo)致的地面表面下降現(xiàn)象。當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生下沉?xí)r，建筑物的承重能力會受到影響，可能引起結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。此外，其還會導(dǎo)致道路、橋梁、管道等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，對城市的交通運輸和供水排水系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響。同樣的，地面沉降也會導(dǎo)致地下水位下降和地下水資源的消耗，不但影響城市的供水能力，導(dǎo)致水資源緊缺和水質(zhì)污染等問題，還會引起土壤干燥和收縮，進(jìn)一步加劇地面沉降的程度。微動勘探技術(shù)可以準(zhǔn)確監(jiān)測地面的沉降速度和程度，及時發(fā)現(xiàn)地面沉降的趨勢和異常情況，為城市規(guī)劃和災(zāi)害防控提供科學(xué)依據(jù)。分析微動數(shù)據(jù)能夠定量評估地面沉降對建筑物的承載力、地下管道的穩(wěn)定性等影響，從而幫助制定合理的建筑設(shè)計和工程施工措施[7]。將其應(yīng)用于城市地下病害體探測中可以及時了解地面沉降的情況，預(yù)測未來的變化趨勢，從而能夠采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)控和管理。這一舉措有助于減輕地面沉降對城市的危害，保障人民生命財產(chǎn)安全，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 地下洞穴

地下洞穴是指地殼中形成的空洞或巖溶系統(tǒng)，其在形成過程中會消耗地下的巖石或土壤，使得上方的地面失去支撐而發(fā)生塌陷，導(dǎo)致地表下沉，從而可能引起建筑物、道路甚至整個城區(qū)的沉降，對城市的安全穩(wěn)定造成極大威脅。洞穴的形成會破壞地下管道、電纜等基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致供水、供電、通訊等服務(wù)中斷或受損。若其與地下排水系統(tǒng)相連，還會導(dǎo)致洪水和污水倒灌，對城市的排水能力和環(huán)境衛(wèi)生產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，地下洞穴還可能引發(fā)滑坡、地震等連鎖反應(yīng)。當(dāng)洞穴連接到山體或斷層系統(tǒng)時，還可能觸發(fā)山體滑坡或斷層活動，對城市和周邊地區(qū)造成進(jìn)一步的破壞。通過部署微動傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以收集洞穴周圍地面的微動信號數(shù)據(jù)，包括振動、位移等參數(shù)，從而了解其變形和活動情況，預(yù)測洞穴坍塌和塌陷的潛在風(fēng)險，為城市規(guī)劃和災(zāi)害防控提供科學(xué)依據(jù)。在評估地下洞穴對城市的影響范圍和程度方面，分析微動數(shù)據(jù)可以確定洞穴的擴(kuò)展速率、發(fā)展趨勢以及與地表沉降的關(guān)聯(lián)性，有助于評估洞穴引發(fā)的地面變形和城市基礎(chǔ)設(shè)施受損的風(fēng)險，以及時采取相應(yīng)的管理和維修措施。

4.4 地面坍塌

地面坍塌是指由于地下洞穴、地下水溶洞、巖溶崩塌等因素導(dǎo)致地表下陷或崩塌的現(xiàn)象。與上文所提及的原因類似，其也會引起建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的倒塌和損壞。坍塌后形成的大面積空洞或凹陷地形不僅會破壞土地的利用功能，還可能導(dǎo)致土地沉降和不穩(wěn)定的情況，無法進(jìn)行正常的開發(fā)利用，從而造成土地資源的浪費。此外，地面坍塌還會引發(fā)災(zāi)害連鎖反應(yīng)。例如，地下水溶洞崩塌可能引發(fā)地下水位突然下降，導(dǎo)致周邊地區(qū)土壤干燥和農(nóng)作物減產(chǎn)。山體滑坡、地震等災(zāi)害也會對人民生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。上文也有提及，微動勘探技術(shù)可以采集地面微小振動信號的數(shù)據(jù)，包括頻率、振幅、相位等，通過數(shù)據(jù)分析了解地下空洞、巖溶崩塌等的形成過程和特征，預(yù)測地面坍塌的潛在風(fēng)險，從而提前進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。在其幫助下可以確定地面坍塌的范圍和深度，評估其對建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的影響程度，相關(guān)部門得以及時采取措施，避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。

4.5 地下水位

地下水位是指地下水埋深的高度或水面到地表的距離。地下水位過高可能導(dǎo)致地面積水和建筑物底部滲水，影響城市的排水能力和建筑物的穩(wěn)定性，同時水分飽和的土壤會失去粘結(jié)力，導(dǎo)致土壤液化和地面沉降，從而對建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。地下水位過低除了會導(dǎo)致供水困難，影響居民和工業(yè)的日常用水需求以外，還可能導(dǎo)致地基松散、干裂和沉降，進(jìn)而影響建筑物的穩(wěn)定性。此外，地下水位對濕地和河流的形成和維持至關(guān)重要，直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康和生物多樣性。湖泊和河流水位下降會破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡；而地下水位過高則可能引發(fā)濕地擴(kuò)張、水質(zhì)惡化等問題。微動勘探技術(shù)可以收集地下水位變化引起的地面微動信號數(shù)據(jù)，掌握其動態(tài)變化趨勢，預(yù)測地下水位的升降情況，從而提升城市供水排水系統(tǒng)的規(guī)劃和管理效率。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析還能夠判斷地下水位變化對土壤穩(wěn)定性和地基承載能力的影響程度，進(jìn)而評估建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施受其變化影響的風(fēng)險。

5 結(jié)語

城市地下環(huán)境復(fù)雜多變，地鐵及相關(guān)建設(shè)的迅猛發(fā)展使得地下病害體問題日益凸顯，對監(jiān)測和管理帶來了更多的的挑戰(zhàn)。對此需要進(jìn)一步加強科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，建立健全城市地下病害體的監(jiān)測、預(yù)警和管理機制，以確保城市地下設(shè)施的安全穩(wěn)定運行，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。本文所討論的微動勘探技術(shù)能夠利用微動信號的特點提供更詳細(xì)的地下信息，因此將其應(yīng)用于城市地下病害體探測中能夠幫助我們了解地下介質(zhì)的動態(tài)響應(yīng)和特征。其所具備的非破壞性、高分辨率、深度延伸、便捷性和智能化等優(yōu)勢也使得其在城市地質(zhì)工作中成為了一種有效、安全、快捷的勘探方法。可見，這一技術(shù)的應(yīng)用對于城市規(guī)劃、工程建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防具有重要意義，具有廣闊的發(fā)展前景。