何繼善，李帝銓，胡艷芳,2，凌 帆，王金海,3

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083;2.湖南工商大學(xué) 微電子與物理學(xué)院，湖南 長沙 410205;3.青海省第三地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000)

1 引 言

19世紀(jì)是橋的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)，21世紀(jì)則是開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)[1]。隨著城鎮(zhèn)化的深入發(fā)展，我國城市地下空間建設(shè)規(guī)模和增長速度已居世界首位。目前城市地下空間的利用深度，二三線城市在20 m左右，一線城市在30 m左右，北京、上海等特大城市在50 m左右，局部特大工程利用深度在70 m左右。相比于西方發(fā)達(dá)國家，我國城市地下空間開發(fā)起步晚，開發(fā)利用水平明顯不足。城市地下空間科學(xué)合理的開發(fā)與利用對城市的健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而未來城市地下空間利用將向綜合化、深層化、人性化、生態(tài)化、安全化發(fā)展，從而也必將對城市地下空間透明化戰(zhàn)略提出更高的要求[2-5]。

查明城市地下空間地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的地質(zhì)情況是城市地下空間透明化開發(fā)利用的關(guān)鍵。我國幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜。我國城市地下空間利用,尤其是城市軌道交通和地下綜合管廊建設(shè)面臨著一系列亟待解決的地質(zhì)挑戰(zhàn)。如上海、西安及天津等城市的地面沉降問題，西安、北京、大同及太原等城市的地裂縫問題，西安、烏魯木齊、福州及深圳等城市的活動斷裂問題，以及武漢、長沙、廣州及桂林等城市的巖溶問題等[6-8]。同時(shí)眾多關(guān)系城市安全的生命線(供水、排水、石油、天然氣管道,供電、通訊線路等)埋置于地下，其中很多管道和線路超期服役，隨時(shí)有滲、漏、爆炸、塌陷等風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，復(fù)雜的城市噪聲干擾、安全隱患以及施工場地的條件等因素導(dǎo)致城市地下空間精細(xì)結(jié)構(gòu)信息難以獲取，傳統(tǒng)的鉆探勘查手段可能會破壞原有地下空間結(jié)構(gòu)[9]。地球物理勘探具有無損探測的特點(diǎn)，是開展城市地下空間精細(xì)探測的主要技術(shù)手段。地球物理探測技術(shù)在應(yīng)用條件、范圍以及應(yīng)用效果方面存在較大的差別。傳統(tǒng)技術(shù)在城市強(qiáng)干擾環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn)有效的探測，無法有效地服務(wù)于城市地下空間建設(shè)。

本文在介紹微重力、地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、廣域電磁法以及天然源面波勘探在城市地下空間探測應(yīng)用的基礎(chǔ)上，分析不同地球物理探測技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)背景下的應(yīng)用效果及可行性，并提出改進(jìn)建議。

2 微重力

微重力測量是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，是高精度重力儀出現(xiàn)的直接結(jié)果。20世紀(jì)50年代前應(yīng)用較廣的是石英絲重力儀，其精度只能達(dá)到毫伽級；隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全自動、便攜式高精度重力儀不斷出現(xiàn)，比如加拿大Scintrex公司推出了微機(jī)控制的CG系列重力儀、美國LaCoste& Romberg公司EG型重力儀等，這類儀器操作簡單、功能強(qiáng)大，且精度達(dá)到了微伽級[10,11]。隨著儀器精度的提升以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，微重力探測的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

20世紀(jì)80年代，我國的科研院所、地震、石油等部門引進(jìn)了高精度重力儀，展開微重力測量的生產(chǎn)及科研工作，并在地基勘測、資源勘查等方面進(jìn)行了應(yīng)用研究。不僅在地面、豎井以及坑道進(jìn)行微重力測量，還可在建筑物內(nèi)部進(jìn)行測量，具有數(shù)據(jù)采集快、成本低、抗干擾的優(yōu)勢，在城市地下空間、地下水遷移、地下考古勘查等方面得到了廣泛應(yīng)用。1988年中國科學(xué)院地球物理研究所采用微重力對明十三陵的定陵和茂陵開展考古工程探測，驗(yàn)證了實(shí)測微重力數(shù)據(jù)與已知地下陵墓的形態(tài)、位置以及埋深等參數(shù)的理論數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，證明了微重力方法在探查地下陵墓方面的有效性；以定陵驗(yàn)測結(jié)果為基礎(chǔ)，利用微重力與重力垂直梯度測量對茂陵的地下建筑位置和形態(tài)進(jìn)行了預(yù)測[12]。Davis等采用微重力在美國科羅拉多州對地下水遷移規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測，通過3次微重力測量成果探測到地下水的分布及總體運(yùn)動規(guī)律[13]。Hare等在阿拉斯加Prudhoe Bay開展了4次高精度重力測量,用于監(jiān)測Prudhoe油藏流體變化，并以此為基礎(chǔ)建立了油氣儲層質(zhì)量分布模型，通過模型可直觀地反映油氣藏流體分布隨時(shí)間的變化[14]。高好林[15]采用微重力對西安城區(qū)地裂縫進(jìn)行了探測，結(jié)果表明微重力對以垂直運(yùn)動為主切割地層較深的西安隱伏地裂縫具有較好的探測效果。Martínez-Moreno等學(xué)者在西班牙Candado山周圍采用微重力對廢棄石膏礦內(nèi)采礦巷道塌陷范圍及邊坡變形邊界進(jìn)行了圈定[16-18]。實(shí)踐證明：微重力探測在城市調(diào)查塌陷、地下空洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象方面具有較好的應(yīng)用效果。

3 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種基于地下介質(zhì)電性差異，利用發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，通過接收天線接收來自目標(biāo)體界面的反射波進(jìn)行無損探測的電磁勘探方法(圖1)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理Fig.1 Geological radar principle

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，其傳播速度V主要是由介質(zhì)的介電常數(shù)決定，當(dāng)碰到與周圍介電常數(shù)不同的目標(biāo)體邊界時(shí)，將產(chǎn)生反射波，并由接收天線接收，從而達(dá)到探測目的。

電磁波在介質(zhì)面的折射與反射特征，由折射系數(shù)T和反射系數(shù)R表示。對于非磁性介質(zhì)，電磁波垂直入射時(shí)，可由式(1)表示：

(1)

(2)

其中：ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。

我國地質(zhì)雷達(dá)研究始于1970年代中期，最初應(yīng)用在煤礦巷道中，相比于鉆探，地質(zhì)雷達(dá)具有費(fèi)用低，風(fēng)險(xiǎn)小以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在道路病害檢測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、巖土工程勘察、工程質(zhì)量檢測、地下水污染檢測以及歷史遺跡探測等方面具有廣泛的應(yīng)用[19]。Basile等采用GPR在意大利Lecce城區(qū)對被埋的歷史遺留修道院進(jìn)行了精細(xì)化探測，并得到考古挖掘證實(shí)[20]；Gracia等采用GPR在西班牙瓦倫西亞大教堂開展探測，測量結(jié)果對瓦倫西亞大教堂擴(kuò)張前的地下墓穴、棺槨以及古城墻等成功定位，并通過對比介質(zhì)不同含水性引起的介電常數(shù)及雷達(dá)速度差異對地下相對濕度進(jìn)行了估算[21]；Imposa等在意大利Etna火山南部人口密集地區(qū)采用GPR開展工作，表明GPR在揭示淺地表斷裂破碎帶方面具有很好的探測效果，可實(shí)現(xiàn)地下0～6 m范圍內(nèi)的精細(xì)探測[22]。王敦顯等利用GPR技術(shù)對地下巖體溶洞進(jìn)行了有效識別，為城市地下空間三維地質(zhì)建模提供了參考[23]。GPR在地下目標(biāo)體滲漏檢測、土壤含水量監(jiān)測等方面也取得了較好的應(yīng)用效果。Liu等將GPR應(yīng)用到地下管道滲漏檢測中，結(jié)果表明GPR技術(shù)能有效地估計(jì)滲漏位置[24]；張文翰等基于GPR開展土壤含水量監(jiān)測研究，表明GPR具備對田塊尺度下不同深度土壤含水量進(jìn)行快速、精準(zhǔn)監(jiān)測的能力[25]。

4 高密度電法

高密度電法(Electrical Resistivity Tomography，簡稱ERT)通過在地表布設(shè)高密度電極，由主機(jī)自動控制電極的切換，測量地下介質(zhì)的電阻率變化，推斷地下地質(zhì)電阻率結(jié)構(gòu)(圖2)。與傳統(tǒng)電阻率法相比，高密度電法能同時(shí)進(jìn)行剖面和深度測量，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：1)一次性布設(shè)所有電極，降低了電極反復(fù)布設(shè)帶來的干擾和誤差；2)可通過主機(jī)控制實(shí)現(xiàn)多種不同排列方式的數(shù)據(jù)采集，工作效率高，且能獲得豐富的地質(zhì)信息；3)數(shù)據(jù)采集與收錄自動化，采集速度快。

陣列電法勘探的最初模式來源于1970年代英國學(xué)者Johansso設(shè)計(jì)的電測深偏置裝置；1980年代，日本地質(zhì)計(jì)測株式會社利用集成電路與自動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高密度電法的野外數(shù)據(jù)采集；1980年代后期，我國原地質(zhì)礦產(chǎn)部率先開始了高密度電法的理論與技術(shù)應(yīng)用研究，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高密度電法得到了進(jìn)一步的完善，應(yīng)用場景不斷增加，如重大工程場地的地質(zhì)調(diào)查、考古勘查、地下采空區(qū)以及地裂縫等不良地質(zhì)體探測、路基與橋墩選址等[26]。蘇永軍等通過高密度電法對三星堆遺址進(jìn)行了考古勘探，對三星堆壕溝位置與走向進(jìn)行了成功探測，為進(jìn)一步的考古探測與發(fā)掘提供了依據(jù)[27]。鄭志龍等利用高密度電阻率法在貴州某高速公路隧道中進(jìn)行了巖溶探測，并得到了鉆探驗(yàn)證[28]。代新雲(yún)等結(jié)合高密度電法與連續(xù)面波法對達(dá)州市城區(qū)的地下病害體進(jìn)行了探測，鉆探驗(yàn)證表明高密度電法與連續(xù)面波法相結(jié)合能對地下病害體的位置與規(guī)模進(jìn)行標(biāo)定，為城市地下病害體的治理提供依據(jù)[29]。Afshar等在伊朗首都德黑蘭西部Hersalak區(qū)已規(guī)劃建設(shè)的大面積住宅區(qū)采用高密度電法對地下水的分布情況進(jìn)行了探測，確定了區(qū)域水流方向、地下水位和空洞位置，為城市規(guī)劃建設(shè)階段提供了技術(shù)支撐[30]。周瑜琨等利用高密度電法對北京城區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、地下洞室、古墓、輸水管道以及隱伏斷裂等進(jìn)行了探測，結(jié)合鉆孔、水文資料對地層結(jié)構(gòu)、輸水管位置以及斷裂形態(tài)等進(jìn)行了圈定[31]。以上案例表明，高密度電法可對地下不良地質(zhì)體、地下含水層、地下天然洞穴和構(gòu)筑物等進(jìn)行圈定，為城市地下空間探測提供有效的方法支撐。

5 廣域電磁法

廣域電磁法(Wide Field Electromagnetic Method，簡稱WFEM)是利用2n序列偽隨機(jī)信號作為激勵(lì)源，通過測量電磁場的某一分量，獲得地下介質(zhì)的電阻率信息的一種人工源頻率域電磁勘探方法。該方法采用高階偽隨機(jī)信號發(fā)送技術(shù)(圖3)，可自主設(shè)定基于偽隨機(jī)編碼的所有頻率，與變頻法相比，相同采集時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)海量數(shù)據(jù)采集，具有頻率密度大、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。筆者所在團(tuán)隊(duì)針對城市強(qiáng)噪聲干擾，開發(fā)了一套全新的信號去噪技術(shù)方案和流程，主要包括儀器相位噪聲矯正、頻譜形態(tài)矯正、特殊類型噪聲壓制、最小二乘反演去噪、Robust統(tǒng)計(jì)類去噪以及去噪結(jié)果融合等成套方法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)干擾環(huán)境下的高精度探測。突破復(fù)雜應(yīng)用場景限制，提出了E-EMN廣域電磁法測量方式(圖4)。

圖3 高階偽隨機(jī)信號時(shí)間域波形及頻譜Fig.3 Time domain waveform and spectrum of high-order pseudo-random signal

圖4 E-EMN測量方式幾何示意圖Fig.4 Geometric diagram of E-EMN measurement mode

圖4中r為測量點(diǎn)與場源的距離，φ為夾角，測量電極MN與x軸的夾角為θ，與r方向的夾角為α，則任意水平方向電場EMN的表達(dá)式可以由Er和Eφ經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到，理論上EMN方向可以是整個(gè)平面360°內(nèi)的任意方向。

通過測量電位差來間接獲得測點(diǎn)處的電場幅值公式如下：

(3)

WFEM在油氣勘探、礦產(chǎn)資源勘查以及地?zé)峥辈榉矫娴玫綇V泛應(yīng)用[32-39]。同時(shí)在生物氣藏探測、工程勘察、采空區(qū)與富水區(qū)探測、隧道勘察等方面取得了很好的應(yīng)用效果。周聰?shù)葘㈦p分量廣域電磁法應(yīng)用在水電工程勘查，結(jié)果表明廣域電磁法是水電工程探測的有效手段[40]。孫春巖等結(jié)合地球化學(xué)與廣域電磁法對洞庭盆地進(jìn)行了生物氣藏勘探，是探測生物氣快速又經(jīng)濟(jì)的方法技術(shù)[41]。筆者采用廣域電磁法和井-地?cái)M流場法聯(lián)合的三位一體立體式探測技術(shù)對井工一礦的老空區(qū)和水害進(jìn)行了探測，準(zhǔn)確獲取了采空區(qū)的位置和富水區(qū)域，確定了不同層位水的連通性，為井工一礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)保障[42]。許廣春將廣域電磁法應(yīng)用在復(fù)雜山區(qū)深埋隧道勘察中，通過與MT和AMT結(jié)果進(jìn)行對比，得出廣域電磁法淺部信息比AMT法豐富，深部信息比MT法豐富且分辨率高，可進(jìn)行大深度隧道的精細(xì)化勘察[43]。李煜等將廣域電磁法用于巖溶探測，并與CSAMT勘探結(jié)果進(jìn)行對比，表明WFEM具有更高的分辨率[44]。

6 微動勘探

微動探測方法(Microtremor Survey Method，簡稱MSM)是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為基礎(chǔ)，從微動信號提取面波(瑞雷波)的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測方法，如圖5所示。從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用方法有頻率-波數(shù)法(F-K)與空間自相關(guān)方法(Spatial Autocorrelation Method，SPAC)。其中F-K法頻散曲線集中在低頻段，而高頻時(shí)的混頻現(xiàn)象會使其結(jié)果惡化；SPAC法頻散曲線集中在高頻段，而低頻段經(jīng)常無法準(zhǔn)確提取，因此F-K法適合深部探測，SPAC法適合淺部探測。

圖5 微動勘探方法原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of micro motion exploration method

微動探測具有探測深度大、成本低的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)主動源地震方法受城市應(yīng)用場景的限制，能夠在工程應(yīng)用尺度上開展地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)演變的長期監(jiān)測[45]。美國Kansas州的Hutchinson市由于巖溶塌陷導(dǎo)致地面沉降，對城市的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)造成了重大破壞，Ivanov等采用面波勘探技術(shù)成功地對地下巖溶洞穴的分布情況進(jìn)行了評估，為城市基礎(chǔ)設(shè)施和交通規(guī)劃提供了依據(jù)[46]。Craig等采用微動探測與主動源面波相結(jié)合的方法，在美國California州舊金山灣地區(qū)成功地獲取了地下30 m范圍內(nèi)的橫波波速，為該地區(qū)城市建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了地球物理數(shù)據(jù)支持[47]。徐浩等在合肥市某小學(xué)采用微動方法對地面沉降原因進(jìn)行了探測，并通過鉆探驗(yàn)證，結(jié)果表明，微動勘探能有效識別地下土體不密實(shí)位置及規(guī)模，可有效排除沉降區(qū)域二次事故發(fā)生[48]。劉博等利用小臺陣微動探測技術(shù)，對武漢地鐵5號線的巖溶進(jìn)行了勘察，實(shí)踐證明，微動勘探適合在城市復(fù)雜且強(qiáng)電磁干擾地區(qū)進(jìn)行地下巖溶探測、地層速度分層等，可為城市軌道交通建設(shè)提供技術(shù)支持[49]。

7 方法技術(shù)對比

目前在城市地下空間探測方面應(yīng)用較多的方法對比如表1所示。微重力適合淺部小規(guī)模地質(zhì)體的精細(xì)探測，可對地下異常體進(jìn)行快速圈定；高密度電法可實(shí)現(xiàn)半自動化采集，效率高，能獲取豐富的地質(zhì)信息，但探測深度在100 m以內(nèi)；常規(guī)頻率域電磁法探測深度大，對低阻異常體明顯，適合大深度的地下空間探測，但抗干擾能力較弱；廣域電磁法抗干擾能力強(qiáng)，可根據(jù)不同的探測目標(biāo)進(jìn)行局部頻率加密，實(shí)現(xiàn)高精度探測；淺層地震勘探分辨率高，適合深度100 m以內(nèi)的地層劃分、構(gòu)造調(diào)查以及地災(zāi)危險(xiǎn)性評價(jià)等；探地雷達(dá)是目前應(yīng)用較廣泛的城市工程勘察方法，其對淺部探測分辨率高，施工快捷，具有成熟的數(shù)據(jù)處理及解釋技術(shù)，但其應(yīng)用范圍受深度限制，無法實(shí)現(xiàn)深部構(gòu)造探測目標(biāo)。這些方法的探測深度與精度不盡相同，建議實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)工程任務(wù)采用多種方法聯(lián)合勘探，避免單一方法的多解性[50-52]。

表1 常用地球物理方法在城市地下空間的應(yīng)用對比

續(xù)表1

8 結(jié)論與建議

本文介紹了微重力、地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、廣域電磁法以及天然源面波法在城市地下空間探測方面的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了不同地球物理方法在城市地下空間開發(fā)利用中的探測深度、適用范圍、應(yīng)用優(yōu)勢與相對局限性。在此基礎(chǔ)上，筆者針對未來城市地下空間透明化發(fā)展提出了以下建議：

1)針對城市地下空間復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件，加速地球物理精細(xì)化探測技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合多種方法聯(lián)合探測，取長補(bǔ)短，建立全方位、多要素結(jié)合的城市地下空間透明化探測技術(shù)方法體系。

2)開展城市強(qiáng)電磁干擾背景下地球物理探測裝備研發(fā)，加速推進(jìn)復(fù)雜噪聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)突破。

3)加強(qiáng)城市地下空間開發(fā)過程中地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)警，評價(jià)工程擾動下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形破壞規(guī)律及對工程構(gòu)筑物的影響，保障地下空間開發(fā)利用安全可持續(xù)發(fā)展。

4)研究基于城市地下地球物理屬性的城市地下空間、地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方案，解決城市地下深部地質(zhì)信息精細(xì)化低等問題，為城市地下空間的合理規(guī)劃和安全開發(fā)提供支撐。