城市浅层地下空间探测技术对比与分析

杨 勇，杨文明，马立荣，宋 城

（宁夏回族自治区地质调查院，宁夏银川 750021）

目前，城市浅层地下空间已成为城市基础设施不可或缺的重要组成，与人民群众的生命、生活有着千丝万缕的联系。因此，对城市浅层地下空间的精细探测和评价愈加重要。一般来讲，城市浅层地下空间是指地下15 m 以内的地下空间。该空间主要容纳了人防工程及供水、电力、燃气、通信等市政公共设施。随着城市快速发展，建设规模不足、管理水平不高等问题凸显，一些城市相继发生了由浅层地下空间岩土性质、施工缺陷等引发的地面塌陷等事故，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序[1—2]。

地球物理探测技术是利用目标体与周边介质的物性差异，通过分析研究观测到的地球物理场达到探查地下目标体、地下人工埋设的物探目的，广泛应用于城市地下构筑物探测、隐患排查、灾害评估等方面。目前，根据探测深度、目的、技术要求的不同，地下空间探测技术采用的技术方法也不同[1]，而且城镇区人文干扰众多，场地环境复杂，这也是诸多地球物理探测施工和分析解释的主要技术难点。选择抗干扰能力强、探测深度较大、分辨率高的地球物理手段对解决城市浅层地下空间精细探测问题至关重要，是地球物理探测技术在城市浅层地下空间探测应用的主要方向。本文以某城区废弃的人防工程为主要研究对象，采用微动探测、探地雷达、高密度电法等多种物探方法进行对比研究。

1 研究区概况

20 世纪六、七十年代，国家为了应对日趋严峻的国际形势，在全国广泛开展了群众性的挖防空洞和防空壕的活动。该研究区和国内许多城镇一样，在地下修筑了四通八达的防空工事，由于当时的技术力量不足、图纸资料缺乏等状况，这些防空工事缺乏精确位置、结构和分布情况，且多已废弃。

该研究区浅层多为第四系更新世马兰黄土所覆盖，厚度一般在3～20 m，最厚达70 m。在城镇基础建设中，浅层地下空间内以人工铺垫的砂、卵石、混凝土和沥青等为主要介质。由表1 可知，浅层地下空间主要介质的物性具有一定差异，具有地球物理探测的物性基础。

表1 研究区浅层地下空间主要介质的物性参数

2 方法技术

2.1 微动探测技术

地球上有着由非地震引起的微小振动，这种振动就叫微动[3]。自然界海浪、气压变化、人类工业及交通活动在地表都会引起微动信号。这些微动信号与信号源、传播机制以及地层结构等有关，在充足的时间尺度内，可以认为它是一种平稳随机过程。由于多重反射和折射，微动信号在传播中积累了地层原始特征的信息[4]。因此，可以通过采集微动信号来分析观测点下覆地层的结构信息。微动探测技术的物理前提是基于不同时代地层、岩性或不同介质的波速差异，利用微动信号所引起的面波、体波等地球物理场来分析解译不同介质的目标体。

该次工作采用重庆盈创地维物探仪器有限公司Mole-D 型节点式微动仪，点距1.5～2.0 m，边长为20～25 m，探测深度约15 m。

2.2 新型地质雷达

地质雷达利用雷达天线对地下隐伏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：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较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射[5]。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，技术人员通过对雷达图像分析，解译地下目标物的空间分布特征。受地下介质电导率的影响，电磁波在传播过程中的能量会迅速衰减，当有效能量值达到背景值后，探地雷达的深度达到最大探测深度。新型地质雷达通过提高仪器发射功率、叠加次数可有效压制背景噪声的能量值，从而提高雷达的探测深度。

该次采用加拿大Ultra pulse EKKO 新型大探深雷达开展试验工作，雷达频率分别选择100，50，25 MHz；使用点测模式，点距0.5 m。

2.3 高密度电法

高密度电阻率法是以岩土导电性差异为基础，研究在人工施加稳定电流场的作用下地下传导电流分布规律。该方法是一种阵列勘探方法，野外测量时只需要将全部电极置于观测剖面的各测点上，以实现地下探测，达到多次覆盖；然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集。将测量结果输入电脑后，还可以对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。

该次采用GD-10 集中式高密度电法系统，道间距1 m，最大电极距60 个，探测深度10 m。

3 结果与分析

3.1 L01 测线探测情况

L01 测线采用微动和大探深雷达2 种探测技术。由微动测量结果显示（图1），整个测线的浅表0.5～3.0 m 深度内主要反映了速度不均匀的松散人工回填土，横波速度Vs变化范围在190～250 m/s。探测深度3～15 m 大致以测线34 m 位置为界，测线10～34 m 段3～10 m 主要为松散黄土层，Vs速度一般在260 m/s 左右；深度10～15 m 表现为相对稳定的高速砂砾石层。测线34～56 m 段3～4 m 主要为低速松散黄土层；深度4～15 m 表现为砂砾石层。测线22～30 m 段5～8 m 深度内存在3 处低阻区域，编号为Ⅰ号低速区、Ⅱ号低速区、Ⅲ号低速区。分析认为，Ⅰ号低速区主要为人防工事的反映，而Ⅱ、Ⅲ号低速区则主要反映人防工事随时间推移而在两侧形成的极度松散区（人防工事影响区）。

此外，在该测线上还部署了大探深雷达探测，结果见图2。测线28～30 m 段6 m 深度内反射能量变化较大，存在明显的同相轴不连续异常现象。该异常与微动探测结果显示的低速区域在测线平面位置上是吻合的，应该是人防工事的反映。

3.2 L02 测线探测情况

图1 L01 测线微动解释成果

图2 L01 测线大探深雷达解释成果

L02 测线部署完成了高密度电法和新型地质雷达探测试验。从高密度电法结果看（图3），整条测线表层主要是由于路面硬化中铺垫的砂石、水泥等介质，形成了水平层状分布的高阻异常。值得注意的是，测线30 m 位置4～6 m 深度存在圈闭的高阻异常体，该异常具有明显的空洞特征。新型地质雷达探测结果见图4。由图4 可知，在相同位置反射波存在较为明显的绕射现象，雷达波曲线呈明显的双曲线形态，综合分析该位置应该为人防工事（地道）的反映。

4 结论

（1）高密度电法对场地环境有一定要求，如沥青路面、瓷砖铺装地面绝缘或难以供电地段无法开展高密度电法，但在局部如绿化带、人行道等地段开展高密度电法，能够有效地分辨地下不同介质的目标体，配合其他探测手段可以更为精确地确定目标体的位置，减少探测结果的多解性。

图3 L02 测线高密度电法反演成果图

图4 L02 测线新型地质雷达解释成果

（2）微动探测、新型地质雷达探测深度较大，分辨率较高，且对场地环境要求相对较低，能够较为精细地探测地下具有明显差异的不同介质目标体，可以作为开展浅层地下空间构筑物探测、隐患排查、灾害评估等工作的有效技术手段。