馬寧 謝小國 羅兵

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 四川 成都 611730

2.四川省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究中心 四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司 四川 成都 610000

我國許多老舊城市的供水管道系統(tǒng)存在漏水、腐蝕和老化等問題，不僅影響居民正常用水，還加劇了土壤液化、地基沉降等地下工程病害體的發(fā)生。而地鐵隧道施工和運(yùn)營中可能會(huì)遇到地層塌方、地面沉陷和隧道滲水等問題，給城市的交通和環(huán)境安全帶來威脅。尤其是在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的城市中，地下病害體的風(fēng)險(xiǎn)更加突出。城市的排水、供電、通信和燃?xì)夤芫W(wǎng)均容易受到破裂、堵塞和腐蝕的影響，其會(huì)導(dǎo)致城市功能中斷，極大的干擾居民生活和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為了有效應(yīng)對(duì)這類問題，我國近年來加大了基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)和改造的力度。包括加強(qiáng)巡檢、加速老舊管道的更新、建立地下勘探和監(jiān)測系統(tǒng)等，而微動(dòng)勘探技術(shù)的應(yīng)用或能發(fā)揮重要作用，本文將做詳細(xì)討論。

1 常規(guī)探測技術(shù)在城市地下病害體探測中的不足

1.1 電法勘探

電法勘探基于地下巖石或土壤的電導(dǎo)率與其物理性質(zhì)（如含水量、鹽度、孔隙度等）之間的關(guān)系，其通過在地表施加電流，測量地下電場的分布和變化，以獲取地下介質(zhì)的電性信息。由于城市環(huán)境復(fù)雜多變，存在建筑物、地下管線等大量人工干擾信號(hào)，可能會(huì)影響電法勘探的測量結(jié)果，降低其分辨率和準(zhǔn)確性。盡管這一測量方法對(duì)地下介質(zhì)的電導(dǎo)率變化敏感，但并不能直接定量反映地下病害體的具體特征[1]。因此還需要結(jié)合地質(zhì)勘探和其他地球物理勘探方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，才能準(zhǔn)確評(píng)估地下病害體的位置、規(guī)模和類型。此外，測點(diǎn)密度的限制同樣也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的局部空缺，從而降低勘探的精度和可靠性。

1.2 地震波勘探

地震波勘探通過激發(fā)地震源產(chǎn)生地震波，然后觀測和分析其在地下介質(zhì)中的傳播和反射情況，從而推斷出地下的構(gòu)造、巖性、裂隙等信息。然而城市區(qū)域復(fù)雜的地質(zhì)條件和人工結(jié)構(gòu)等會(huì)發(fā)出多種干擾信號(hào)，影響地震波的傳播路徑，導(dǎo)致其多次反射和折射，使數(shù)據(jù)解釋和處理更加困難，降低勘探的準(zhǔn)確性[2]。大量的地震儀器布設(shè)和數(shù)據(jù)采集使得這種勘探方式具有較高的成本、較長的時(shí)間周期以及較高的交通運(yùn)輸要求，其也會(huì)對(duì)地面造成較大的機(jī)械損傷，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境破壞和污染，因此不適用于城市地下病害體的快速檢測和監(jiān)測。

2 微動(dòng)技術(shù)概述

2.1 微動(dòng)技術(shù)原理

微動(dòng)是指地震臺(tái)站或其他觀測點(diǎn)記錄到的微小振動(dòng)信號(hào)，通常是來自于地震活動(dòng)、人類活動(dòng)、氣象變化、地下水流動(dòng)或其他自然和人為因素引起的震動(dòng)。其振幅相對(duì)較小，頻率范圍通常在0.1Hz至10 Hz之間，同時(shí)其周期、持續(xù)時(shí)間也相較于地震信號(hào)更長[3]。通過對(duì)微動(dòng)信號(hào)的觀測和分析，可以了解地下介質(zhì)的波速結(jié)構(gòu)、地表變動(dòng)情況以及地震活動(dòng)等信息。其所具備的特征使得其在地下結(jié)構(gòu)探測、地震監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。微動(dòng)勘探技術(shù)則能夠通過激發(fā)地表或井口上的震源產(chǎn)生微小的振動(dòng)信號(hào)，然后通過接收器（地震儀）采集地下的微動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析和解釋，從而獲取地下介質(zhì)的信息。具體而言，借助小型振動(dòng)器或震撼器等在地表或井口上布置震源，激發(fā)后產(chǎn)生的微小振動(dòng)信號(hào)會(huì)以地震波的形式傳播到地下，并在巖石和地層等介質(zhì)作用下衰減、散射和反射，最終被接收器記錄[4]。將采集到的微動(dòng)信號(hào)通過地震儀器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析，利用數(shù)學(xué)算法、信號(hào)處理和成像技術(shù)等方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地下介質(zhì)的物理屬性，如速度、密度、衰減等，實(shí)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的成像和解譯。

2.2 微動(dòng)技術(shù)應(yīng)用方法和步驟

在微動(dòng)信號(hào)的時(shí)域表示中，振幅隨時(shí)間變化的特點(diǎn)反映了地下介質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過監(jiān)測和分析微動(dòng)信號(hào)的振幅變化，可以評(píng)估地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形情況，并提供預(yù)警信息。同時(shí)，面波在不同頻率下的傳播速度會(huì)有所差異，這也與地下介質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)。通過提取微動(dòng)信號(hào)的頻散曲線可以獲得不同頻率下面波的相速度，并進(jìn)一步推斷地下介質(zhì)的密度、彈性模量等性質(zhì)，從而幫助評(píng)估地下介質(zhì)的穩(wěn)定性和承載能力。

在分析微動(dòng)信號(hào)時(shí)，可使用空間自相關(guān)法提取地下介質(zhì)的面波頻散曲線并推測其物理性質(zhì)。首先，根據(jù)研究目標(biāo)和地下結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)挠^測區(qū)域。按照一定的規(guī)則（如圓形或線性排列）布置觀測點(diǎn)，至少需要3個(gè)觀測點(diǎn)才能進(jìn)行相關(guān)分析，而更多的點(diǎn)位會(huì)提供更優(yōu)的結(jié)果[5]。其次，觀測半徑?jīng)Q定了微動(dòng)探測的深度，一般而言，保證深度為觀測半徑的3～5倍。中心點(diǎn)距離取決于所研究的地下結(jié)構(gòu)尺度以及實(shí)際的觀測需求，通常控制在2m左右。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的地震儀、加速度計(jì)等設(shè)備，將其正確安裝在每個(gè)觀測點(diǎn)上。確保采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，以充分記錄地下介質(zhì)自然震動(dòng)的特性。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波和去噪處理，提高信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)校正儀器的響應(yīng)特性，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合適的振速或位移單位。為了減少分析的計(jì)算量，還可根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)截取，保證數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效性。對(duì)每對(duì)觀測點(diǎn)之間的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算出空間自相關(guān)函數(shù)?？赏ㄟ^尋找峰值點(diǎn)的索引或擬合等方法尋找峰值并進(jìn)行檢驗(yàn)，排除由于偶然因素或噪聲引起的誤差。根據(jù)峰值位置和頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系提取頻散曲線并進(jìn)行分析，推斷地下介質(zhì)的物理性質(zhì)，如波速、密度或土壤類型等。此外，還可以根據(jù)頻散曲線的形狀和特點(diǎn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量或定性分析。

3 微動(dòng)技術(shù)在城市地下病害體探測中的優(yōu)勢

微動(dòng)技術(shù)利用環(huán)境振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行勘探，無需引入人工震源或進(jìn)行鉆孔等破壞性操作，不會(huì)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施和周圍環(huán)境造成過大的損害。其可以提供高頻信號(hào)源，并通過面波頻散曲線推斷地下速度結(jié)構(gòu)，具有速度小、分辨率高的特點(diǎn)。因此其能夠有效地探測城市地下所存在的地裂縫、沉降、洞穴等病害體，并提供較為準(zhǔn)確的二維剖面信息。微動(dòng)技術(shù)采用低頻特性良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無需攜帶復(fù)雜的儀器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)較大的勘探深度，甚至延伸到地下較深的區(qū)域，最大可達(dá)3000m。其操作上更加便捷靈活，并且有利于節(jié)省勘探作業(yè)空間，適宜在城市環(huán)境中進(jìn)行。此外，在相關(guān)軟硬件的研發(fā)以及程序優(yōu)化下，智能化微動(dòng)技術(shù)可以在線實(shí)時(shí)顯示勘探的面波頻散曲線，改善數(shù)據(jù)采集過程中的人工控制弊端，提高勘探效率，并確保數(shù)據(jù)采集的實(shí)效性[6]。

4 微動(dòng)技術(shù)在城市地下病害體探測中的應(yīng)用

4.1 地裂縫

地殼運(yùn)動(dòng)或地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地面破裂而形成地裂縫。對(duì)于城市而言，地裂縫發(fā)生時(shí)，地面的位移和變形可能導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)破壞，甚至引發(fā)坍塌事故。此外，其還可能使得水、氣體和污染物滲透至地下，進(jìn)一步加劇地下水位下降、土壤沉降等問題。如果地裂縫跨越道路、橋梁和管道等交通和通信設(shè)施，會(huì)導(dǎo)致道路斷裂、橋梁破壞和管道泄漏等問題，從而嚴(yán)重影響城市居民的正常出行和生活。微動(dòng)技術(shù)通過對(duì)地表振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，可以及時(shí)監(jiān)測地裂縫的活動(dòng)狀態(tài)和變化趨勢。其能夠發(fā)現(xiàn)微弱的地表振動(dòng)信號(hào)，并提供高分辨率的勘探數(shù)據(jù)，精確識(shí)別地裂縫的形態(tài)、擴(kuò)展和活動(dòng)程度。這種無損勘探不需要對(duì)地表或地下進(jìn)行破壞性操作，減少了施工對(duì)周圍環(huán)境和建筑物的影響。這些特點(diǎn)使得微動(dòng)技術(shù)在城市環(huán)境中具備地裂縫勘探方面的優(yōu)勢，適用于繁忙的城區(qū)和復(fù)雜的地質(zhì)條件。在其幫助下，相關(guān)人員可以及時(shí)了解城市內(nèi)部地裂縫的演化過程，以及時(shí)制定相應(yīng)的防治措施，保障城市的安全和穩(wěn)定發(fā)展。

4.2 地面沉降

地面沉降是指由于地下水開采、地下工程施工、地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)等因素導(dǎo)致的地面表面下降現(xiàn)象。當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生下沉?xí)r，建筑物的承重能力會(huì)受到影響，可能引起結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，其還會(huì)導(dǎo)致道路、橋梁、管道等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，對(duì)城市的交通運(yùn)輸和供水排水系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響。同樣的，地面沉降也會(huì)導(dǎo)致地下水位下降和地下水資源的消耗，不但影響城市的供水能力，導(dǎo)致水資源緊缺和水質(zhì)污染等問題，還會(huì)引起土壤干燥和收縮，進(jìn)一步加劇地面沉降的程度。微動(dòng)勘探技術(shù)可以準(zhǔn)確監(jiān)測地面的沉降速度和程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地面沉降的趨勢和異常情況，為城市規(guī)劃和災(zāi)害防控提供科學(xué)依據(jù)。分析微動(dòng)數(shù)據(jù)能夠定量評(píng)估地面沉降對(duì)建筑物的承載力、地下管道的穩(wěn)定性等影響，從而幫助制定合理的建筑設(shè)計(jì)和工程施工措施[7]。將其應(yīng)用于城市地下病害體探測中可以及時(shí)了解地面沉降的情況，預(yù)測未來的變化趨勢，從而能夠采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)控和管理。這一舉措有助于減輕地面沉降對(duì)城市的危害，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 地下洞穴

地下洞穴是指地殼中形成的空洞或巖溶系統(tǒng)，其在形成過程中會(huì)消耗地下的巖石或土壤，使得上方的地面失去支撐而發(fā)生塌陷，導(dǎo)致地表下沉，從而可能引起建筑物、道路甚至整個(gè)城區(qū)的沉降，對(duì)城市的安全穩(wěn)定造成極大威脅。洞穴的形成會(huì)破壞地下管道、電纜等基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致供水、供電、通訊等服務(wù)中斷或受損。若其與地下排水系統(tǒng)相連，還會(huì)導(dǎo)致洪水和污水倒灌，對(duì)城市的排水能力和環(huán)境衛(wèi)生產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，地下洞穴還可能引發(fā)滑坡、地震等連鎖反應(yīng)。當(dāng)洞穴連接到山體或斷層系統(tǒng)時(shí)，還可能觸發(fā)山體滑坡或斷層活動(dòng)，對(duì)城市和周邊地區(qū)造成進(jìn)一步的破壞。通過部署微動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以收集洞穴周圍地面的微動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)、位移等參數(shù)，從而了解其變形和活動(dòng)情況，預(yù)測洞穴坍塌和塌陷的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為城市規(guī)劃和災(zāi)害防控提供科學(xué)依據(jù)。在評(píng)估地下洞穴對(duì)城市的影響范圍和程度方面，分析微動(dòng)數(shù)據(jù)可以確定洞穴的擴(kuò)展速率、發(fā)展趨勢以及與地表沉降的關(guān)聯(lián)性，有助于評(píng)估洞穴引發(fā)的地面變形和城市基礎(chǔ)設(shè)施受損的風(fēng)險(xiǎn)，以及時(shí)采取相應(yīng)的管理和維修措施。

4.4 地面坍塌

地面坍塌是指由于地下洞穴、地下水溶洞、巖溶崩塌等因素導(dǎo)致地表下陷或崩塌的現(xiàn)象。與上文所提及的原因類似，其也會(huì)引起建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的倒塌和損壞。坍塌后形成的大面積空洞或凹陷地形不僅會(huì)破壞土地的利用功能，還可能導(dǎo)致土地沉降和不穩(wěn)定的情況，無法進(jìn)行正常的開發(fā)利用，從而造成土地資源的浪費(fèi)。此外，地面坍塌還會(huì)引發(fā)災(zāi)害連鎖反應(yīng)。例如，地下水溶洞崩塌可能引發(fā)地下水位突然下降，導(dǎo)致周邊地區(qū)土壤干燥和農(nóng)作物減產(chǎn)。山體滑坡、地震等災(zāi)害也會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。上文也有提及，微動(dòng)勘探技術(shù)可以采集地面微小振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)，包括頻率、振幅、相位等，通過數(shù)據(jù)分析了解地下空洞、巖溶崩塌等的形成過程和特征，預(yù)測地面坍塌的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而提前進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。在其幫助下可以確定地面坍塌的范圍和深度，評(píng)估其對(duì)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的影響程度，相關(guān)部門得以及時(shí)采取措施，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4.5 地下水位

地下水位是指地下水埋深的高度或水面到地表的距離。地下水位過高可能導(dǎo)致地面積水和建筑物底部滲水，影響城市的排水能力和建筑物的穩(wěn)定性，同時(shí)水分飽和的土壤會(huì)失去粘結(jié)力，導(dǎo)致土壤液化和地面沉降，從而對(duì)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。地下水位過低除了會(huì)導(dǎo)致供水困難，影響居民和工業(yè)的日常用水需求以外，還可能導(dǎo)致地基松散、干裂和沉降，進(jìn)而影響建筑物的穩(wěn)定性。此外，地下水位對(duì)濕地和河流的形成和維持至關(guān)重要，直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康和生物多樣性。湖泊和河流水位下降會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡；而地下水位過高則可能引發(fā)濕地?cái)U(kuò)張、水質(zhì)惡化等問題。微動(dòng)勘探技術(shù)可以收集地下水位變化引起的地面微動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，掌握其動(dòng)態(tài)變化趨勢，預(yù)測地下水位的升降情況，從而提升城市供水排水系統(tǒng)的規(guī)劃和管理效率。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析還能夠判斷地下水位變化對(duì)土壤穩(wěn)定性和地基承載能力的影響程度，進(jìn)而評(píng)估建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施受其變化影響的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

城市地下環(huán)境復(fù)雜多變，地鐵及相關(guān)建設(shè)的迅猛發(fā)展使得地下病害體問題日益凸顯，對(duì)監(jiān)測和管理帶來了更多的的挑戰(zhàn)。對(duì)此需要進(jìn)一步加強(qiáng)科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，建立健全城市地下病害體的監(jiān)測、預(yù)警和管理機(jī)制，以確保城市地下設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。本文所討論的微動(dòng)勘探技術(shù)能夠利用微動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)提供更詳細(xì)的地下信息，因此將其應(yīng)用于城市地下病害體探測中能夠幫助我們了解地下介質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和特征。其所具備的非破壞性、高分辨率、深度延伸、便捷性和智能化等優(yōu)勢也使得其在城市地質(zhì)工作中成為了一種有效、安全、快捷的勘探方法?？梢姡@一技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于城市規(guī)劃、工程建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防具有重要意義，具有廣闊的發(fā)展前景。