城市地下异常体物探试验基地研建

李松洲，陈新容，何 莉，梁文戈

（广东煤炭地质二〇二勘探队，广东广州 510800）

0 引言

城市地质灾害是城市化快速发展中自然与人为双重作用下的新型地质灾害［1-2］。随着我国城市化进程的推进，人类地质活动日益频繁，城市地质环境变化日益增大，地质灾害隐患增多，城市地质事故频繁发生，影响和制约着城市的发展［3-7］，城市地质灾害防控工作势在必行。城市地下异常体物理探测是厘清城市地质灾害成因机制的重要手段［8-9］，目前，我国在城市地质灾害勘查和监测技术方面，还存在着一些瓶颈和挑战［10］，亟需建设一个城市地下异常体物探试验基地，为城市地质灾害物探技术研究和创新提供实地验证和测试平台，推动地质灾害防控技术的创新和应用，从而更好地理解和处理城市地质灾害问题，有效减少灾害损失。

为此，在考察国内相关试验基地的基础上，针对城市不良地质体特征，构建了不同尺度的城市地下灾害体模型，并根据不同埋深配置不同尺寸，研建了国内首个包括孤石、溶洞、管线等模型的城市地下异常体物探试验基地，为城市地下异常体综合勘查技术实践、研究及发展提供有效的试验场所。

1 基地选址

1.1 国内试验基地建设现状

为建设城市不良地质体勘查技术试验基地，对国内相关试验场地进行了调研和现场试验。

首先考察了中公高科霸州公路养护技术国家工程研究中心基地标准试验场地。该场地主要针对城市道路病害，试验区沿道路布设，长120～150 m，宽6～7 m。地下0.5～4 m 深度分别埋置有钢铁材质、PVC 材质和水泥材质的管道、不同形状的亚克力以模拟脱空、疏松、孤石等道路病害。场地采取全开挖，埋置地下试验物，然后填埋、压实，尽量模拟实际道路。在该场地进行了探地雷达精细探测试验和综合地震试验，试验结果显示：高密度三维探地雷达和综合地震可以探测地下异常，但探测结果与实际的城市道路探测有较大的差异，路面沥青层（或水泥层）下的土层不够密实，电磁波、地震波散射比较严重［11］。

其次调研了中国矿业大学试验基地。该试验基地长约26 m，宽约16 m，深约5 m。模拟煤矿井下地质条件建立地质模型，四周是模拟巷道，巷道高约2 m，宽约1.5 m。内部模拟煤层，同时布设了断层、陷落柱、溶洞、空洞等地质异常体。在该场地进行了综合地震试验，试验数据处理后显示部分地质异常。

分析上述试验场地调研及试验数据可以看出：①以上基地模型埋深均较浅；②以上场地建设时采用全开挖，对表层地质条件破坏较大，因此与实际的勘探场景有较大的差距。综合分析调研的试验基地特点，结合引起城市地质灾害的地质异常体特征，选择城市不良地质灾害勘查技术试验基地建在广东韶关202地质队基地。

1.2 基地自然地理特征

202 地质队基地属亚热带湿润型季风气候区，年均降雨量1 700 mm，地下水资源丰富，地下水位埋深6.8～12.4 m。地表为红层覆盖，其下面隐伏壶天群石灰岩。根据区域地质资料及邻近勘察情况，场地内下伏基岩溶洞较发育，场地内6 个钻孔有揭露，石灰岩肉红色，裂隙发育，岩心呈碎块状或短柱状。基地的自然及地质条件与南方城市地铁施工中遇到的孤石、岩溶等地质问题非常相似。

基地从地面到基岩面埋深可达10 m，深度上可以布设更多的地质模型，也可以进行模型深度上的组合，更好地模拟城市地质异常体。根据钻孔揭露情况得出，基地土层主要有：人工填土（Q4ml素填土）、残积土（Q4el），各土层特征由新到老分述如下：

①人工填土（Q4ml素填土）：紫黄或紫红色，主要成分为粉质黏士，含少量风化砂岩碎砾，松散，较均匀，除综合楼1～6 号孔外，其余大部分钻孔底部有0.4～2 m 耕植土，场区南西侧有7个钻孔底部有0.6～1 m 鱼塘淤积土。该层所有钻孔均有揭露。层厚0.8～9.5 m，平均5.27 m。

②第四系残积土（Q4el）：粉质黏土，紫红色或黄色，湿—很湿，可塑—硬塑，局部含少量强风化灰岩碎砾。该层除4个钻孔缺失，其余各钻孔均有分布。揭露厚度1.6～20.4 m，平均10.21 m；黏土，紫红色或黄色，湿—很湿，可塑—硬塑，局部含少量强风化灰岩碎砾。该层除25 个钻孔缺失，其余50 个钻孔均有分布。揭露厚度2.3～20.0 m，平均9.09 m。

2 基地设计

2.1 城市地质灾害模型设计

通过前期调研城市地质灾害存在特征，设计不同埋深、不同材质、不同城市的城市不良地质体模型32 个，其中孤石模型9 个，溶洞模型5 个，溶洞管道组合模型2个，管道模型12个，管排模型4个。基地设计钻孔12个，模型的具体参数见表1。

表1 模型试件参数Table 1 Specimen model parameters

2.2 试验基地设计

试验基地设计的原则：要符合城市规划要求，试件模型大小及尺寸设计要符合城市地下灾害体存在实际；要结合地形、地貌及周边环境，确保安全、有利于开展试验、方便管理的原则合理布置场地；要考虑勘查设备进出，基地与场外要有顺畅的通道等条件。

本试验基地设计长40 m，宽20 m，总面积800 m2。地下埋设模拟城市不良地质体模型32个，其中孤石模型9 个，溶洞模型5 个，溶洞管道组合模型2个，管道模型12 个，管排模型4 个，设计钻孔12 个（孔深20 m）。其中，0.3 m PE 管道用量26 m，0.6 m PE 管道用量24 m，0.6 m 砼管用量3 m，1.2 m 砼管用量12 m。7 个模型布设光纤，每个模型安装2 组光纤线，光纤线直径分别为5 mm、7 mm。综合考虑勘查方法的组合及施工的便利，模型的平面布设见图1。

图1 试验基地平面布置图Figure 1 Layout plan of the test site

3 基地建设

3.1 施工工艺

此次基地建设的重要特点是最大限度模拟地质体的原生环境，尽量减少对地层的破坏，采用了有针对性的施工工艺。

1）基地表层主要为土层，模型最深孔深为11.5 m，未见岩层。地下水位2.5～5 m。因此，对孔深超过7 m，且为长条形状的模型需要进行基坑支护，拉森钢板桩具备强度高、刚度大、施工简便、抗渗性能好等优点［12-13］，因此在对埋深较深的模型进行引孔前先采用拉森钢板桩进行支护，再采用旋挖机进行主副孔施工，最后进行统一修整孔圆弧边，完全修整后再进行安置模型工作。

2）光纤布设：涉及的模型为管道（砼）模型、管道（PE管模型）。其中管道（砼）模型，安装使用骑马卡固定、管道（PE管模型）使用碳纤维布及碳纤维胶水固定。

3.1.1 引孔工艺

埋设较浅的模型采用挖掘机挖掘出足够尺寸孔径（槽）的引孔方式，埋设较深的模型孔（槽）则采用旋挖钻机。以直径0.6 m、长4 m、埋深7.5 m 的管道（PE）模型试件旋挖成槽工艺为例，如图2所示，根据设计要求，本工程使用旋挖机进行挖掘，为顺利将长度为4 m 的管道试件安装到地底，创建一个长度为4.8 m 深度为7.5 m 的槽。由于该模型埋设深度较深，为防止塌孔，先采用拉森钢板支撑后旋挖机施工，再采用直径为0.8 m的旋挖钻头进行操作，首先，利用旋挖机挖掘5 个主孔，每个主孔之间的间距为0.2 m。 在挖掘主孔时，旋挖钻头将深入土壤或岩石，并通过旋转切削的方式将其粉碎。完成主孔挖掘后，再开展4 个副孔的清理工作。副孔是为将主孔挖掘过程中产生的土壤或岩石屑料排出的附加孔洞。通过清理副孔，确保槽的内部光滑和整洁。

图2 管道（PE）旋挖成槽示意图Figure 2 Schematic diagram of a pipe（PE）rotary trenching

3.1.2 埋置工艺

首先检查模型是否存在破损、变形等问题，确保几何形状和尺寸符合设计要求。然后根据设计要求，核对模型埋置的坐标系，测量模型埋置的深度和宽度，确保模型位置准确无误。

根据设计要求和模型的特点，安装适当的吊装装置，根据操作规程进行吊装，控制好吊装速度和角度，保证模型安全稳定地吊装到预定位置。然后根据设计要求选择进行土方回填，分层夯实，确保回填土方均匀、紧密。模型试件安装放置吊装工艺如图3 所示。以溶洞模型放置工艺为例，为将直径为1.5 m 的溶洞模型试件安装到地底，利用钢丝绳长度达10 m 的起重机进行吊装。为确保顺利进行吊装安置，地面引孔的直径需要达到1.8 m。

图3 溶洞模型试件吊装示意图Figure 3 Lifting schematic for cave specimen model

3.2 基地3D建模

试验场地长48 m，宽32 m，占地面积1 536 m2。为了直观了解试验基地模型的布局、尺寸、埋深等信息，实现地下异常体模型可视化，利用专业建模软件，以各个模型原始数据（包含模型个数、模型大小、模型埋置深度、模型坐标等）为基础，创建可以反映不同类型灾害体模型特征的数字化模型，构建了城市不良地质体勘查技术试验基地三维模型，如图4 所示。试验基地三维模型的建立，不仅实现了地下模型的三维可视化，也为后面的勘查技术试验、研发设备检测等基地运营服务提供便利。

图4 样件模型三维布置Figure 4 3D Layout of specimen model

4 基地规划

近年来工程技术人员探索了多种地质、地球物理方法来探测城市不良地质体，取得了很好的效果。但随着探测进入“深水区”，单一方法很难突破，因此研究城市不良地质体综合探测技术，提高勘查精度具有重要意义［14-16］。广东韶关城市地质灾害勘查技术试验基地的建成，恰逢其时，具有重要的意义。

1）勘查技术方法有效性评估：通过构建不同尺寸的地下病害体模型、管道模型和孤石等模型，基地提供一个尽量模拟真实城市地下异常体的实验场地，为综合勘查技术的研究提供了合适的场地。在该场地进行综合勘查技术试验，试验的结果可与模型对比，从而判断该技术方法的有效性及精度。如后续要进行的被动源地震勘探技术，在中深层有很好的成功案例，但在浅层地质异常体探测中，一直缺乏直接的验证，通过后续的综合地震试验，就可以直观进行判断，确定该方法在城市不良地质体探测中的有效性，评估其勘探精度。

2）设备的有效性检验及精度分析：各单位购置或自研设备可以在试验基地进行测试，通过测试数据与模型的对比，可以有效判断该设备的有效性及勘探精度，为设备的检验及精度测试提供服务。比如，我们研发的城市地震快速采集设备，虽然在道路上进行了试验，取得了很好的效果，但精度的评估还需要已知数据做支撑，试验基地正好可以满足要求。

3）勘查工作方案优化：基于基地内的模型试验结果，可以对城市地质灾害勘查的工作方案进行优化。通过针对性的试验和研究，可以改进勘查方法、优化方法组合、选择合适的仪器设备，从而提高地质异常体的勘查效率，为城市地质灾害防范提供更可靠的技术支撑。

4）促进成果转化：坚持开放共享、合作共赢的发展理念。加强试验基地与政府、科研单位、龙头企业的合作，推动成果落地实施，将试验基地建成产学研用一体化科研平台，成为城市不良地质体勘查领域最新科技成果，最新设备展示平台。

5 结语

在考察国内相关试验基地的基础上，针对城市不良地质体的特征，构建城市地下灾害体模型，并根据不同埋深配置不同尺寸，在广东韶关研建中国煤炭地质总局城市地质灾害勘查试验基地，为城市不良地质体综合勘查技术实践、研究及发展提供有效的试验场所。基地占地面积1 536 m2，地下埋设孤石、溶洞、管线等地质异常体模型32 个，钻孔12个。建立了城市不良地质体勘查技术试验基地三维模型，实现了地下异常体模型三维可视化，为后续的勘查技术试验、研发设备检测等基地运营服务提供便利。

受现阶段研究深度和建设规模所限，试验基地模型种类不够全面，缺乏金属管线、串珠溶洞等模型。另外城市不良地质体模型设计不够全面，缺乏对深层次地质体的设置，实际生活中，部分城市地下空间开发深度远不止10 m，待后续条件成熟，可在基地内增加埋深更大的地质异常体模型，从而提高物探试验结果的推广度。