楊 勇，楊文明，馬立榮，宋 城

（寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川 750021）

目前，城市淺層地下空間已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的重要組成，與人民群眾的生命、生活有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。因此，對(duì)城市淺層地下空間的精細(xì)探測(cè)和評(píng)價(jià)愈加重要。一般來(lái)講，城市淺層地下空間是指地下15 m 以?xún)?nèi)的地下空間。該空間主要容納了人防工程及供水、電力、燃?xì)?、通信等市政公共設(shè)施。隨著城市快速發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不足、管理水平不高等問(wèn)題凸顯，一些城市相繼發(fā)生了由淺層地下空間巖土性質(zhì)、施工缺陷等引發(fā)的地面塌陷等事故，嚴(yán)重影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序[1—2]。

地球物理探測(cè)技術(shù)是利用目標(biāo)體與周邊介質(zhì)的物性差異，通過(guò)分析研究觀(guān)測(cè)到的地球物理場(chǎng)達(dá)到探查地下目標(biāo)體、地下人工埋設(shè)的物探目的，廣泛應(yīng)用于城市地下構(gòu)筑物探測(cè)、隱患排查、災(zāi)害評(píng)估等方面。目前，根據(jù)探測(cè)深度、目的、技術(shù)要求的不同，地下空間探測(cè)技術(shù)采用的技術(shù)方法也不同[1]，而且城鎮(zhèn)區(qū)人文干擾眾多，場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜，這也是諸多地球物理探測(cè)施工和分析解釋的主要技術(shù)難點(diǎn)。選擇抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深度較大、分辨率高的地球物理手段對(duì)解決城市淺層地下空間精細(xì)探測(cè)問(wèn)題至關(guān)重要，是地球物理探測(cè)技術(shù)在城市淺層地下空間探測(cè)應(yīng)用的主要方向。本文以某城區(qū)廢棄的人防工程為主要研究對(duì)象，采用微動(dòng)探測(cè)、探地雷達(dá)、高密度電法等多種物探方法進(jìn)行對(duì)比研究。

1 研究區(qū)概況

20 世紀(jì)六、七十年代，國(guó)家為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的國(guó)際形勢(shì)，在全國(guó)廣泛開(kāi)展了群眾性的挖防空洞和防空壕的活動(dòng)。該研究區(qū)和國(guó)內(nèi)許多城鎮(zhèn)一樣，在地下修筑了四通八達(dá)的防空工事，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)力量不足、圖紙資料缺乏等狀況，這些防空工事缺乏精確位置、結(jié)構(gòu)和分布情況，且多已廢棄。

該研究區(qū)淺層多為第四系更新世馬蘭黃土所覆蓋，厚度一般在3～20 m，最厚達(dá)70 m。在城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)中，淺層地下空間內(nèi)以人工鋪墊的砂、卵石、混凝土和瀝青等為主要介質(zhì)。由表1 可知，淺層地下空間主要介質(zhì)的物性具有一定差異，具有地球物理探測(cè)的物性基礎(chǔ)。

表1 研究區(qū)淺層地下空間主要介質(zhì)的物性參數(shù)

2 方法技術(shù)

2.1 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)

地球上有著由非地震引起的微小振動(dòng)，這種振動(dòng)就叫微動(dòng)[3]。自然界海浪、氣壓變化、人類(lèi)工業(yè)及交通活動(dòng)在地表都會(huì)引起微動(dòng)信號(hào)。這些微動(dòng)信號(hào)與信號(hào)源、傳播機(jī)制以及地層結(jié)構(gòu)等有關(guān)，在充足的時(shí)間尺度內(nèi)，可以認(rèn)為它是一種平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。由于多重反射和折射，微動(dòng)信號(hào)在傳播中積累了地層原始特征的信息[4]。因此，可以通過(guò)采集微動(dòng)信號(hào)來(lái)分析觀(guān)測(cè)點(diǎn)下覆地層的結(jié)構(gòu)信息。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的物理前提是基于不同時(shí)代地層、巖性或不同介質(zhì)的波速差異，利用微動(dòng)信號(hào)所引起的面波、體波等地球物理場(chǎng)來(lái)分析解譯不同介質(zhì)的目標(biāo)體。

該次工作采用重慶盈創(chuàng)地維物探儀器有限公司Mole-D 型節(jié)點(diǎn)式微動(dòng)儀，點(diǎn)距1.5～2.0 m，邊長(zhǎng)為20～25 m，探測(cè)深度約15 m。

2.2 新型地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)利用雷達(dá)天線(xiàn)對(duì)地下隱伏目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。具體工作原理：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線(xiàn)向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射[5]。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波與發(fā)射天線(xiàn)同步移動(dòng)的接收天線(xiàn)接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，技術(shù)人員通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像分析，解譯地下目標(biāo)物的空間分布特征。受地下介質(zhì)電導(dǎo)率的影響，電磁波在傳播過(guò)程中的能量會(huì)迅速衰減，當(dāng)有效能量值達(dá)到背景值后，探地雷達(dá)的深度達(dá)到最大探測(cè)深度。新型地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)提高儀器發(fā)射功率、疊加次數(shù)可有效壓制背景噪聲的能量值，從而提高雷達(dá)的探測(cè)深度。

該次采用加拿大Ultra pulse EKKO 新型大探深雷達(dá)開(kāi)展試驗(yàn)工作，雷達(dá)頻率分別選擇100，50，25 MHz；使用點(diǎn)測(cè)模式，點(diǎn)距0.5 m。

2.3 高密度電法

高密度電阻率法是以巖土導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律。該方法是一種陣列勘探方法，野外測(cè)量時(shí)只需要將全部電極置于觀(guān)測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，以實(shí)現(xiàn)地下探測(cè)，達(dá)到多次覆蓋；然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。將測(cè)量結(jié)果輸入電腦后，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。

該次采用GD-10 集中式高密度電法系統(tǒng)，道間距1 m，最大電極距60 個(gè)，探測(cè)深度10 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 L01 測(cè)線(xiàn)探測(cè)情況

L01 測(cè)線(xiàn)采用微動(dòng)和大探深雷達(dá)2 種探測(cè)技術(shù)。由微動(dòng)測(cè)量結(jié)果顯示（圖1），整個(gè)測(cè)線(xiàn)的淺表0.5～3.0 m 深度內(nèi)主要反映了速度不均勻的松散人工回填土，橫波速度Vs變化范圍在190～250 m/s。探測(cè)深度3～15 m 大致以測(cè)線(xiàn)34 m 位置為界，測(cè)線(xiàn)10～34 m 段3～10 m 主要為松散黃土層，Vs速度一般在260 m/s 左右；深度10～15 m 表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定的高速砂礫石層。測(cè)線(xiàn)34～56 m 段3～4 m 主要為低速松散黃土層；深度4～15 m 表現(xiàn)為砂礫石層。測(cè)線(xiàn)22～30 m 段5～8 m 深度內(nèi)存在3 處低阻區(qū)域，編號(hào)為Ⅰ號(hào)低速區(qū)、Ⅱ號(hào)低速區(qū)、Ⅲ號(hào)低速區(qū)。分析認(rèn)為，Ⅰ號(hào)低速區(qū)主要為人防工事的反映，而Ⅱ、Ⅲ號(hào)低速區(qū)則主要反映人防工事隨時(shí)間推移而在兩側(cè)形成的極度松散區(qū)（人防工事影響區(qū)）。

此外，在該測(cè)線(xiàn)上還部署了大探深雷達(dá)探測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖2。測(cè)線(xiàn)28～30 m 段6 m 深度內(nèi)反射能量變化較大，存在明顯的同相軸不連續(xù)異?，F(xiàn)象。該異常與微動(dòng)探測(cè)結(jié)果顯示的低速區(qū)域在測(cè)線(xiàn)平面位置上是吻合的，應(yīng)該是人防工事的反映。

3.2 L02 測(cè)線(xiàn)探測(cè)情況

圖1 L01 測(cè)線(xiàn)微動(dòng)解釋成果

圖2 L01 測(cè)線(xiàn)大探深雷達(dá)解釋成果

L02 測(cè)線(xiàn)部署完成了高密度電法和新型地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)。從高密度電法結(jié)果看（圖3），整條測(cè)線(xiàn)表層主要是由于路面硬化中鋪墊的砂石、水泥等介質(zhì)，形成了水平層狀分布的高阻異常。值得注意的是，測(cè)線(xiàn)30 m 位置4～6 m 深度存在圈閉的高阻異常體，該異常具有明顯的空洞特征。新型地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4 可知，在相同位置反射波存在較為明顯的繞射現(xiàn)象，雷達(dá)波曲線(xiàn)呈明顯的雙曲線(xiàn)形態(tài)，綜合分析該位置應(yīng)該為人防工事（地道）的反映。

4 結(jié)論

（1）高密度電法對(duì)場(chǎng)地環(huán)境有一定要求，如瀝青路面、瓷磚鋪裝地面絕緣或難以供電地段無(wú)法開(kāi)展高密度電法，但在局部如綠化帶、人行道等地段開(kāi)展高密度電法，能夠有效地分辨地下不同介質(zhì)的目標(biāo)體，配合其他探測(cè)手段可以更為精確地確定目標(biāo)體的位置，減少探測(cè)結(jié)果的多解性。

圖3 L02 測(cè)線(xiàn)高密度電法反演成果圖

圖4 L02 測(cè)線(xiàn)新型地質(zhì)雷達(dá)解釋成果

（2）微動(dòng)探測(cè)、新型地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度較大，分辨率較高，且對(duì)場(chǎng)地環(huán)境要求相對(duì)較低，能夠較為精細(xì)地探測(cè)地下具有明顯差異的不同介質(zhì)目標(biāo)體，可以作為開(kāi)展淺層地下空間構(gòu)筑物探測(cè)、隱患排查、災(zāi)害評(píng)估等工作的有效技術(shù)手段。