物探方法在预防路面塌陷中的应用

徐晓英，徐万祥，张俊伟，欧阳伟

（山东正元地球物理信息技术有限公司，济南 250101）

0 引言

近年全国各个省市，从一线大城市到二、三线中小城市都发生过不同程度的路面塌陷事故。多起路面塌陷事故造成严重的生命财产损失和社会影响[1]。2019年12月1日，广州地铁11号线附近地陷致3人失联；2019年12月12日，厦门吕厝地铁1、2号线外施工现场近500 m2地面塌陷，致水管破裂，地铁站内进水。2020年1月13日，西宁南大街长城医院门前发生路面坍塌，一公交车瞬时陷入地陷路面，该事故死亡9人，受伤17人。

路面塌陷对人民群众生命财产安全造成了严重影响，同时导致交通不便、各种通讯、输水、输气及电力等基础设施的损坏和中断，对当地经济建设造成极大的影响。所以探测地下“病害体”，及时对道路进行填补、修复，可以减少道路塌陷事故的发生、降低道路塌陷事故的损失。

1 路面塌陷的原因分析

1.1 内在原因

城市地下资源大规模开发是路面塌陷事故发生的内在原因。城市人口的迅猛增长，使得对交通、通信、电力、给排水、燃气等的需求急剧增长，城市地下空间的开发利用无疑是满足这些需要的有效途径。这些地下工程改变了上亿年形成的地质平衡和水动力循环条件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等现象，加快了形成地下空洞的过程，从而导致路面塌陷。

1.2 直接原因

给排水管（函）不堪重负而渗漏爆裂是导致城市路面塌陷的直接原因。城区规模的扩大，原来的河流湖泊变成了马路、小区和广场，雨水原来就近集中渗漏排泄的渠道被封闭，城市排水集中到原本建设标准不高的管函中，随着排水压强和流速越来越大，造成管函破裂，泥沙流失，最终导致地面塌陷。老城区的给水管也随着负担日益加重，锈蚀日趋严重而导致破裂，水土流失，日积月累，逐渐形成大的空洞而酿成地面塌陷。

2 探测方法及应用

为了查清排水管网周边是否存在地下“病害体”[2]，采用地质雷达法和浅层地震勘探法对管网两侧各3 m范围进行探测，通过数据分析，确定地下“病害体”的位置。在导致道路塌陷之前，对已经形成的以及正在扩大的地下“病害”提出整治意见，及时填补和修复，预防地面塌陷的发生。

2.1 地质雷达法的应用

2.1.1 地质雷达法的工作原理

地质雷达法是一种利用高频电磁波信号探测介质结构分布的非破坏性探测技术，通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像。具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播遇到介电差异的介质界面时，会反射、透射和折射（图1）。当地下介质间介电常数存在较大差异时，雷达发射的电磁波一般会在其界面发生反射，反射波形态与地下介质（岩石、空气、粘土等）的性质、赋存状态、大小、埋深等因素有密切的关系。因此，从探测到的雷达反射波的曲线形态、振幅强度、相位等特征可以判断地下介质的赋存状态、性质及空间分布等[3]。

2.1.2 地质雷达法的工作方法技术

本次地质雷达探测采用剖面法，发射天线和接收天线为一体式天线沿测线方向同步移动。

正式开工前需要进行仪器性能和仪器一致性检验。探测工作使用的仪器为美国劳雷公司生产的SIR-30E型地质雷达，天线频率为100 MHz，介电常数9，时窗150 ns，采用连续测量方式。

图1 地质雷达探测原理

以琅琊大道点号为HS2801-HS2779路段为例，根据内窥摄像检测系统（CCTV）探测到的情况，该路段管沟侧壁存在渗水口，可能导致地下介质严重疏松、局部存在空洞，故在此位置南北两侧布置了30 m的地质雷达测线，来确定雷达探测法对地下“病害体”探测是否有效。数据处理后，从图2中可以看出水平点位10～22 m、深度约1.0～2.5 m范围内雷达波波形杂乱，同相轴错断、起伏，地下介质严重疏松。从图像上看，探测效果明显。

图2 琅琊大道试验段地质雷达测线剖面图

2.2 浅层地震勘探法的应用

2.2.1 浅层地震勘探法的工作原理

浅层地震勘探法是以地层的波阻抗（Z＝ρ·υ，ρ为岩层的密度，υ为岩层的波速）差异为依据，通过研究地下不同波阻抗地层的地震波场变化规律，提供工作区有关地下地质构造信息。在地表，人工激发的地震波向下传播，当遇到波阻抗不同的分界面时，就会发生反射、折射和透射。通过高精度地震仪可记录下这些地震反射波。由于地质构造、地层岩性的波阻抗不同，而接收到的地震反射波与不同地层的波阻抗有关，因此仪器接收到的反射波包含各种地质信息。对地震波信号进行叠加降噪、褶积、频谱分析、NMO校正、CDP叠加、图像合成等数据处理，得到地下断面二维图像。分析研究地震波中诸如时间、速度、能量、相位、频率等特征。对图像判读解译，就可以推断地质构造的形态、特殊地质体的分布等[4]。

由地表人工激发的地震波向地下传播，当遇到波阻抗差异明显的弹性介质界面时，就会发生反射，利用高精度地震仪并采用适当的工作参数记录下的地震记录就带有相应的地下空洞、土质疏松及其他目标体的信息，利用专用的地震数据处理系统对采集到的记录进行编辑处理，得到地下断面的二维地震图象，对图象判读、解释，从而推断地下空洞、土质疏松等“病害”的规模、成因等，达到探测目的。

2.2.2 浅层地震勘探法的工作方法技术

通过在地表人工激发产生地震波，当向地下传播的地震波遇到波阻抗不同的界面时，就会发生反射、折射和透射（图3）。浅层地震勘探法就是采用小排列、小道距、小偏移距的一种反射法。

浅层地震勘探法的技术是在最佳窗口内选择一个偏移距，以等偏移距的方式，采用高精度地震仪记录反射回的地震波。再对地震波信号进行编辑、频谱分析、滤波、振幅恢复等数据处理，得到地下断面的二维图像。

地震波在地下不同介质中的传播速度各不相同，地下不同介质的岩性、密度、波速等的差异使反射波的频率、振幅、相位等均发生变化，分析研究地震波中的时间、速度、振幅、相位、频率等的变化特征，从而推断地下空洞、土质疏松等“病害”的形态、分布位置、状况等。

同样需要先对地震仪和检波器进行一致性测试。本次浅层地震勘探法使用的仪器为吉林大学工程技术研究所研制生产的Miniseis24型综合工程探测仪，使用100 Hz检波器，采用锤击激发震源，单道检波器接收，偏移距为3 m，道距0.2 m，采样间隔0.1 ms，记录长度60 ms。处理软件为GeoCOD浅层地震反射波处理软件及Geogiga sesismic pro地震数据处理软件。

在琅琊大道点号为HS2801-HS2779路段同样位置布置浅层地震勘探法测线，资料处理主要包括格式转换、频谱分析、滤波、道均衡、增益调节、初至提取等，经数据处理后获得地震剖面，从图4可以看出水平点位11～20 m、深度约1.3～2.8 m范围内地震波杂乱、起伏，同相轴错断，推测为地下介质严重疏松。与内窥摄像检测系统（CCTV）探测的情况基本吻合，由此可以证明浅层地震勘探法对地下“病害体”的探测同样是有效的。

图4 琅琊大道试验段浅层地震法剖面图

3 现场调查及干扰源分析

老城区管线探测现场施工条件一般比较复杂，道路上人流密集、车辆交通流量大，部分路段管网密布，部分区段商业店铺林立，由于部分路段路面沉降、与绿化带间裂缝较为明显，所以在探测中需要制定相应的处理措施。此外因管线、管沟的填埋年份有先后，材质和工艺均有不同，可能产生的破损程度不一。需要施工人员研读已有的城市管线图纸、资料，了解目标管线的位置、材质、埋深等基础信息，才能做到有目的的开展工作。

3.1 干扰源的分析及解决方法

通过现场调查，测区干扰源（表1）有以下特点：

1）部分排水管网材质为金属或内含金属，会使雷达波波形异常，掩盖“病害体”的波形异常[5]，对地质雷达法的探测造成影响。所以施工前首先搜集区域管线图，仔细分析管线材质、位置，现场布线离金属管线1.5 m以上，尽量减小管线干扰影响。

表1 影响地质雷达探测的典型干扰源分类

2）探测区域主要分布在道路路面（机动车、人行道），由于现场人员、车辆交通繁忙，部分区段商业店铺林立，现场施工条件复杂。故野外施工期间穿戴好防护用品，设置安全警示标志，尽量避开交通高峰期施工，现场配备专人负责安全指挥，做到安全、文明施工。

3）排水管网线路部分区段存在架空或入地高压线，架空高压线对地质雷达影响较小，入地高压线有绝缘屏蔽层，对雷达有一定影响，无屏蔽层的弱电管线对地质雷达干扰较大。所以需要采用地质雷达法和浅层地震勘探法相结合的方法。以地质雷达法为主，对地质雷达法得到的物探异常重点区域布置浅层地震勘探法进行探测、验证，通过2种方法相结合，达到全面、精细探测的目的。

3.2 异常类型及处理建议

通过对地质雷达及浅层地震法资料的处理和整理归类，并结合地下“病害体”分类对物探异常[6]进行分类划分（表2）。

表2 物探异常特征及处理建议

4 结论与建议

在城区排水管网周边空洞探测中，由于交通繁忙、商业发达、店铺林立，多有车辆停放在线路上，排水管网线路部分区段存在架空或入地高压线，都会对探测结果产生影响，在单一物探方法无法满足探测要求的情况下，需要采用综合物探方法进行探测。由于该项目的有效探测深度为6.0 m，故以地质雷达法为主，在雷达探测异常区域采用浅层地震勘探法进行探测，可满足工程要求。当探测深度增加，则需要采取相应物探方法进行探测，从而确定地下“病害体”的位置。

致谢 衷心感谢"地下空间光纤智慧感知物联网建设与应用示范"课题组、山东正元地球物理信息技术有限公司赵宪堂总工程师给予的大力帮助。