蔡向陽，徐子橋

(安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人類活動諸如大規(guī)模的工程建設(shè)和快速的城市擴張等對地質(zhì)環(huán)境的影響越來越大，這使得我們賴以生存的地質(zhì)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生深刻的變化。近年來，城市地質(zhì)災害頻發(fā)，已嚴重危害到人民群眾的生命財產(chǎn)安全以及城市的建設(shè)與發(fā)展。城市的現(xiàn)代化發(fā)展引起的環(huán)境變化也限制了傳統(tǒng)物探手段對城市地質(zhì)的勘查、評估及監(jiān)測，如何快速有效地對城市地下空間隱患進行調(diào)查、評估及治理是城市發(fā)展亟需解決的重大問題之一。本文以太湖縣某居民小區(qū)地下空間隱患調(diào)查為例，使用微動探測和地質(zhì)雷達綜合物探方法，在無損地表環(huán)境、確?？碧骄鹊那闆r下，完成了對研究區(qū)地下10m 以淺地質(zhì)情況勘查，并對地下空間隱患進行了論證，為后續(xù)的地下空間隱患評估和治理提供了地球物理依據(jù)。表明了以微動探測和地質(zhì)雷達組合的綜合物探方法在城市地下空間隱患調(diào)查過程中能發(fā)揮重要作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)工程勘察報告，區(qū)內(nèi)巖土層根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征、性質(zhì)及分布情況，由上到下可分為五層，分述如下：

第①層：雜填土（Q）：場地內(nèi)均有分布。雜色，松軟狀，主要由黏性土及少量建筑垃圾組成，厚度一般為0.4～3.0m。第②層：粉質(zhì)黏土（Q）：場地內(nèi)均有分布。褐紅、黃褐色，硬-硬塑狀，稍濕，有砂感、黏性，切面有光澤，無搖振反應，干強度中等，韌性中等，厚度一般為1.5～5.6m。第③層：中粗砂（Q）：場地內(nèi)均有分布。灰白、褐灰色，飽和，稍—中密狀，夾有粉質(zhì)黏土，為片麻巖殘積土，含有長石、云母等，厚度一般為5.0～15.0m。

第④層：強風化片麻巖：場地內(nèi)均有分布?；野?、淺灰色，斑狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，由石英、長石、云母等組成。巖性多呈塊狀及土狀，干鉆不易鉆進，遇水易軟化，屬極軟巖，破碎，厚度一般為1.0～1.7m。

第⑤層：中風化片麻巖：場地內(nèi)均有分布。褐灰、淺灰色，斑狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，由石英、長石、云母等組成。巖性呈碎塊狀及短柱狀，錘擊不清脆，輕易擊碎，屬軟巖，較完整。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)3.0～10.0m 分布有一層中粗砂，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強，弱承壓，主要接受大氣降水補給及側(cè)向徑流補給，向開挖側(cè)排泄，水位埋深0.4～0.8m，變幅0.5～1.0m。由于受研究區(qū)周邊地形開挖排泄地下水的影響，該含水層水力坡度較大，徑流較強烈。

2 研究區(qū)物性特征

研究區(qū)內(nèi)地層主要為回填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、風化的片麻巖等，其電性參數(shù)和橫波速度特征如表1。

表1 研究區(qū)常見介質(zhì)物性參數(shù)Table 1.Physical parameters of common media in the study area

介質(zhì)的松散程度、孔隙度等會影響到地下介質(zhì)中電磁波的傳播速度，且若出現(xiàn)地下介質(zhì)疏松不密實，或地下裂縫、裂隙發(fā)育等情況，地下介質(zhì)會產(chǎn)生對電磁波的吸收和反射、折射等情況，從而導致反射波同相軸局部缺失。

地層內(nèi)S 波速度不僅與巖性有關(guān)，還與密度、埋深、地層地質(zhì)年代、孔隙度、流體成分、溫度和壓力等有著密切的關(guān)系。

3 物探方法與測線布置

3.1 微動探測

微動探測技術(shù)即是從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，通過S 波速度在不同深度層次的高低變化，進行介質(zhì)分層及不良地質(zhì)體的物探方法。

本文微動探測臺陣為直線型，臺陣臺站間距為1m、2m 和4m，測量時共布置11 臺檢波器，7 臺組合為一個測點，同時進行3 個點測量（圖1）。檢波器主頻2Hz，采樣頻率250Hz。本文數(shù)據(jù)處理利用頻率-波數(shù)譜法逐點提取頻散曲線，再計算出視S 波速度，得到視S 波速度隨深度變化的曲線，最終得到視S 波速度剖面圖。

圖1 微動臺陣布設(shè)示意圖Figure 1.Layout of microtremor detection array

3.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是利用地質(zhì)雷達發(fā)射天線向目標體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標體的反射電磁波，探測目標體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實際是利用目標體及周圍介質(zhì)的電磁波的反射特性，對目標體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷(或其他不均勻體)進行探測。

本文采用儀器為瑞典MALA 公司的RAMAC/GPR 地質(zhì)雷達，選用100MHz 天線，采樣頻率為1700MHz，時窗設(shè)置為240ns，連續(xù)剖面測量觀測方式。

3.3 測線布置

場地北側(cè)和東側(cè)因修路等原因已在多年前進行切坡，場地局部區(qū)域曾出現(xiàn)塌陷，場地西南角為某正在開發(fā)樓盤，在樓盤進行基坑挖掘中場地部分房屋出現(xiàn)開裂。物探測線依建筑物間巷道進行布置，在每棟樓前巷道布置1條微動探測和地質(zhì)雷達的物探綜合剖面，方向自西向東，場地概況及測線位置分布見圖2。

圖2 物探測線布置及場地概圖Figure 2.Overview of the layout of geophysical survey lines and the site

4 物探異常特征及綜合分析評價

4.1 微動探測異常特征

為能更直觀地顯示研究區(qū)地下情況，將所有微動探測剖面數(shù)據(jù)處理后，進行三維速度建模，現(xiàn)選取三維

X

-

Z

方向切片圖（圖3）進行異常特征分析。微動剖面速度特征在垂向可分為兩層：第一層為淺部0～3m之間的低速層，速度范圍200～300m/s，主要為雜填土和粉質(zhì)黏土的反映；第二層為3～10m的高速層，波速范圍300～400m/s，主要為中粗砂層的反映。場地速度特征在水平方向呈現(xiàn)，自南向北低速層逐漸變深，自西向東低速層范圍也逐漸變大的特征。

在已知房屋開裂問題嚴重的2#、3#樓區(qū)域（L3 線和L4 線各剖面西段距離2～8m），都對應上述低速，在微動探測結(jié)果圖上表現(xiàn)為：L3 線和L4 線該段西側(cè)埋深3～8m 存在明顯的低速閉合圈異常，這與基坑開挖時因中粗砂流失形成的地質(zhì)體局部不密實甚至空腔等地質(zhì)情況有關(guān)。在以往發(fā)生塌陷區(qū)域（L6線剖面水平距離40～46m），微動探測結(jié)果圖顯示，該區(qū)域埋深2～6m 存在低速凹陷異常，推測此處和塌陷后回填土波速較低相關(guān)。在L9 線剖面水平距離35～54m、埋深2～6m存在低速片狀異常。

這些已知地質(zhì)災害點在對應的微動剖面上都有明顯的低速異常，微動探測能很好地反映研究區(qū)地下空間隱患點情況。在圖3 中我們也可以看到L4 線水平距離51～53m、埋深3～7m，L5 線水平距離43～47m、埋深4～8m和L8線水平距離18～22m、埋深3～7m 都存在低速閉合圈異常，推測這些位置地下砂層也存在流失。

圖3 微動探測X-Z方向切片圖Figure 3. X-Z direction slices of microtremor detection

4.2 地質(zhì)雷達探測異常特征

地質(zhì)雷達對地下空間不密實體和空腔體反應靈敏，能夠與微動探測結(jié)果相互驗證，相互補充，提高物探解釋質(zhì)量。

由L3 線、L4 線和L5 線地質(zhì)雷達剖面（圖4）均可見，在深度3～4m 存在不連續(xù)的彎曲反射界面，推斷為粉質(zhì)黏土層與中粗砂層分界面。在L3線和L4線對應房屋開裂嚴重區(qū)域，襯砌界面反射信號強，信號為強反射信號，同相軸不連續(xù)、錯斷，一般區(qū)域化分布，推測異常為地下介質(zhì)不密實或脫空（圖4上、中）；在微動推測的L4 線水平距離51～53m 和L5 線水平距離43～47m 異常區(qū)，在地質(zhì)雷達影像圖上反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，表現(xiàn)為平緩的雙曲線波形特征，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大，推測異?？赡転榫植棵摽眨▓D4中、下）。

圖4 L3線（上）、L4線（中）和L5線（下）地質(zhì)雷達影像圖Figure 4.Line 3 (top),line 4 (middle) and line 6 (bottom)ground penetrating radar images

4.3 綜合分析評價

根據(jù)微動探測和地質(zhì)雷達結(jié)果分析，研究區(qū)地下空間松散不密實區(qū)主要集中在埋深2～6m 處，該層位主要為粉質(zhì)黏土層（Q）與中粗砂層（Q），地層不密實區(qū)范圍較大。當?shù)叵螺^強滲透性的中砂層產(chǎn)生滲流，水位下降后，中粗砂層失水固結(jié)，土體收縮，中粗砂層上界面與低滲透性的粉質(zhì)黏土底層接觸處首先產(chǎn)生脫空不密實區(qū)域，繼而發(fā)展到地面出現(xiàn)沉降及裂縫。

在房屋開裂程度中，遠離基坑開挖區(qū)域的9#樓開裂程度較嚴重。結(jié)合場地情況，該區(qū)域位于護坡邊緣，護坡內(nèi)外高差較大，導致淺層地下水水力坡度較大，而基坑開挖時處在太湖縣梅雨期，降雨量較大，為地下淺層中粗砂流失提供了有利條件。基坑開挖過程中產(chǎn)生的機械擾動，則進一步加劇了這一區(qū)域的中粗砂流失，從而產(chǎn)生地面沉降加速現(xiàn)象。同理，3#、4#、5#、6#、7#、8#樓東端和9#樓區(qū)域，也處于護坡邊緣，從微動探測埋深5m 水平切片（圖5）我們可以看出，這些區(qū)域在埋深5m 處低速異常明顯，說明該區(qū)域地層存在松散化趨勢，易發(fā)生地面沉降和塌陷，故應對該區(qū)域進行沉降監(jiān)測，并對地層穩(wěn)定性、承載能力進行分析評價。

圖5 微動探測埋深5m水平方向切片圖Figure 5.Horizontal slices of microtremor detection within buried depth of 5m

研究區(qū)地下空間隱患形成為多要素引起：首先是場地的特殊地質(zhì)條件，土層松散、淺部砂層發(fā)育且易流失以及潛水含水層滲透性好；其次是人為工程活動的影響，場地周邊切坡、深基坑開挖都破壞了地下空間原有的平衡；最后是強降雨導致地下水徑流量大。以上三點因素的共同作用，導致研究區(qū)地下空間存在隱患。

5 結(jié)論

通過綜合物探手段，對研究區(qū)地層進行了分層，地下空間隱患主要存在于第二層，其形成原因為場地地質(zhì)條件、人為工程活動和強降雨等多因素共同作用。其導致地質(zhì)災害的形成過程為流砂→地下砂土層不密實或脫空→地面沉降、塌陷。對本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的地下空間隱患處應進行結(jié)構(gòu)性預防和采取治理措施，最大程度降低地面沉降、地表建筑受損等風險。

微動探測結(jié)果較地質(zhì)雷達更為直觀，有足夠的探測深度，并可實現(xiàn)三維建模來綜合分析地表建筑物地下空間形態(tài)；而地質(zhì)雷達在數(shù)據(jù)采集效率上明顯高于微動探測，特別在建筑群的內(nèi)、外開展短剖面測量時更具優(yōu)勢。兩種方法相結(jié)合能夠更準確地探知城市建成區(qū)地下空間存在的隱患。