地质雷达和高密度电法在城市地下隐患探测中的应用

夏培XIA Pei

（武汉市测绘研究院，武汉 430022）

0 引言

随着社会经济快速发展，使综合管廊、建筑工程、地铁等城市基础建设迅猛发展。各类工程对地下空间的开发力度越来越大，需要对地下隐患（如空洞、脱空、疏松体、历史废弃地下室）等进行准确定位，指导工程安全施工和危害预防。高密电阻率法与地质雷达法作为重要的浅地表工程勘探技术，是工程施工前期获取地质资料的重要手段，已被广泛应用于地铁、隧道地质勘查、城市道路隐患检测、矿产空洞检测等工程项目的建设与维护中[1-3]。

高密度电阻率法以地下不同介质体的导电性差异为基础，地质雷达是以地下不同介质体的介电性差异为基础。两种物探方法在适用条件、探测对象、分辨率以及探测范围都有所区别。本文有针对性地选取地质雷达和高密度电阻率法进行组合，针对同一工区探测地下空间存在的空洞、脱空、疏松体、废弃人防等隐患。

1 探测方法

1.1 地质雷达探测

地质雷达主机通过发射天线T 在地表发射高频电磁脉冲波，当电磁波遇到不同的媒质界面时便会发生反射和透射，反射波返回地面，被接收天线R 所接收，地质雷达的工作原理如图1 所示。实测时将雷达天线紧贴于地面，沿测线连续滑动；雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值，构成连续雷达剖面。本次探测采用美国GSSI公司SIR-4000 型探地雷达仪，该系统具有数字化程度高、透深能力强、探测范围广、分辨率高以及实时数据处理和图像显示等特点。

图1 地质雷达工作原理图

地质雷达探查是利用异常体与周围土壤层介质的电性差异来实现的。不同介质间的接触面及同一种介质内部的不连续面都是良好的雷达波反射界面，当雷达波在传播过程中遇到这些界面时，都会发生不同程度的反射、透射、散射或衍射，这些现象集中反映在地质雷达记录的波形和波阻抗特征的变化上。如果在空洞或疏松异常的边界，则在地质雷达剖面上显示为强反射信号、同相轴错断，不连续等特征。分析研究雷达记录所接收的回波的运动学与动力学特征，就可以判定废弃人防和空洞等隐患的具体位置。

1.2 高密度电阻率法探测

高密度电法是一种阵列电法勘探[5]，其以目标物及与周围岩、土体的导电性差异为物理基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律，从而达到解决地质以及工程问题的目的。高密度电法和常规电法一样，通过A、B 电极向地下供电流，在M、N 极间测量电位差，从而可求得MN 中点的视电阻率，工作原理见图2。本次探测选用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-4 高密度电法测量系统，由WDJD-4 型多功能直流激电仪和60 道多路电极转换器组成。

图2 高密度电法工作原理

与常规直流电法的分析解释不同，高密度电法的成果分析解释必须依靠高性能的计算机和具有良好解释效果的分析软件。经过比较，本文使用的数据处理软件是瑞典高密度处理软件RES2DINV。通过修整数据，调节深度转换系数，选择等值线间隔，一般迭代4～5 次即可得到较为满意的反演结果。

高密度电阻率法确定地下异常体主要基于目标体与围岩的电阻率差异。对于溶洞、不均匀体、地下空洞、废弃人防等地下异常体类型，在探测时通常采用球形或矩形作为模型，如果干燥或仅含气体，表现为高阻异常特征；充水和充泥空洞，表现为低阻异常特征。

2 工程案例

武汉市一建设工地，初步怀疑工地内可能存在废弃人防或地下空洞，会对施工带来安全隐患。经过前期调研工程物探方法中地质雷达和高密度电法对于探测空洞等地下隐患结构是非常有效的，同时综合场地大小、地面平整度等现场环境，以及施工的经济性便利性，本文采用高密度电阻率法以及地质雷达两种物探方法，探测工地下方是否存在空洞、脱空、疏松体、地下人防等隐患，处理分析探测数据，找到隐患点。

2.1 测线布置

依据探测区域现场情况，布置地质雷达和高密度电法探测线。为获得高质量的数据，高密度电法选取了1m 的密集测深点距布极，地质雷达测线选用200MHz 屏蔽天线，采样率50 次/米。测线覆盖整个探测区域，根据探测结果进行局部测线加密。测线布设具体参考图3，红色线为高密度电阻率布线，蓝色线为地质雷达布线。

图3 物探测线布置图

2.2 探测成果

2.2.1 高密度电阻率探测剖面

因场地施工受限，本次野外数据采集一共采集到八条高密度电阻率法剖面，每条测线长59m，电极距1m。

从图4 所示反演结果中可以看出：电阻率在该剖面图上分布较均匀，物性分层较为明显。在浅表深度范围0-2m为相对高阻层，该层电阻率值在100-400Ωm 范围内，现场观测到可能是松散的混泥土路基以及浅埋的建筑垃圾。位于测线16-34m，深度2.5-7.7m 处出现大面积连续低阻体，电阻率值在0.4-3Ωm 范围内，图中红框表示，推断其很有可能是饱和水的地下结构。结合前期人防资料，推断此处为废弃人防结构充满地下水，形成的异常低阻体。

图4 l2 测线测量视电阻率反演剖面

查阅的地下人防资料（如图5），将历史资料获取的人防位置与探测出的人防位置进行比对（如图6），在本次探测范围线内两者位置基本一致。

图5 地下人防历史建设图纸

图6 地下人防探测位置与历史资料位置比对图

该区域布设的地质雷达测线L31，针对人防异常体探测效果不佳，分析原因有以下两点：①该区域建筑垃圾堆积较多导致地面严重凹凸不平，地质雷达天线测量不能很好的贴合地面，影响数据质量；②充填水的地下空洞，对雷达波呈现强吸收特征，雷达记录上回波衰减严重，不利于中深部成像，达不到探测要求。

2.2.2 地质雷达探测剖面

对现场采集数据的雷达数据进行如下处理：①自动变换增益或控制增益以补偿介质吸收衰减，实现道内均衡；②取相邻道数据平均以压制非目的体杂乱回波与空间随机干扰，改善背景；③时间域滤波处理或频率域滤波以压制高频杂波干扰、降低背景噪声和余振影响。

下面进行典型地质雷达剖面解释分析。

①地质雷达测线L10。

测线L10 中39.2m-44.8m 范围，地下深度2.2m-5.0m，图中用红色线框出，反射波具有明显的顶界面，多次波表现连续平板状结构，怀疑是具有顶板和底板结构的空洞。后经施工单位开挖核实，此处为历史建筑的地下室。（图7）

图7 地质雷达测线L10 剖面分段详图

②地质雷达测线L13。

测线L13 中5.6m-8.4m 范围，地下深度0.4m-1.6m，图中用红色线框出，同向轴不连续，内部波形结构较杂乱，多次波明显，怀疑是小型空洞或脱空。经过现场钻孔验证，采用钻孔内窥镜目标内部影像信息，确定此处存在小型空洞。（图8）

图8 地质雷达测线L13 剖面分段详图

针对上述小型空洞以及遗留建筑基础区域，发现高密度电法探测效果不佳，分析原因有以下两点：①遗留建筑的基础大多为混凝土，其电阻率与周围介质相差不大，高密度电法基于电阻率差异很难区分；②小型脱空或者空洞体积较小，相比于地质雷达高密度电法分辨率较低，对于细部目标的探测能力不足。

3 结论

本文开展地质雷达和高密度电法在城市地下隐患探测中的应用研究，得到以下结论：①地质雷达和高密度电法组合对于探测废弃人防、空洞、脱空等城市地下隐患结构是有效的，能够准确探测隐患位置。②地质雷达外业操作方便、快捷，适合大范围初探；且具有良好的分辨率，探测深度相对较浅，适合探测浅层小型空洞。地质雷达不适用于大范围较深的含水结构探测，水对雷达波呈现强吸收特征，雷达记录上回波衰减严重，成像效果较差。地质雷达数据采集需天线贴地，对场地平整性有一定要求，不适用于地面特别凹凸不平的施工场地。③高密度电法外业采集经过钉地钎、铺设线缆、电极浇盐水、回收地钎线缆等多个步骤，耗费较大人力、采集效率偏低，适用于具有一定目标指向性的精细探测。高密度电法探测深度深，对于含水结构的探测敏感性高，适用于大体积深度较深的含水空洞探测。由于高密度电法需要将地钎钉入地面下方，对城市硬化路面具有一定的破坏，更适用于绿化带、施工区这样的场地。