田增彪，李 杰

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000;2.河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司，河北保定071051)

目前，全國(guó)各城市頻繁發(fā)生道路塌陷災(zāi)害事故，不僅造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，還給城市中生活的人們帶來(lái)了不可預(yù)知的實(shí)實(shí)在在的生命與財(cái)產(chǎn)威脅，對(duì)社會(huì)的負(fù)面影響非常大。預(yù)防和解決城市道路塌陷，保護(hù)人民生命與財(cái)產(chǎn)安全，已成為城市建設(shè)、管理工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。近幾年，河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司(五一九大隊(duì))在物探應(yīng)用于找礦之外項(xiàng)目上，投入大量人力物力開(kāi)展技術(shù)研究和方法試驗(yàn)工作，對(duì)特定技術(shù)難題組織專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)，取得了空洞塌陷、地下涵洞、古墓葬等方面的應(yīng)用效果，為部分城市道路塌陷探測(cè)搶險(xiǎn)工作提供了可靠的技術(shù)支持;但在城市道路地下空洞快速探查和塌陷危害整體檢測(cè)評(píng)價(jià)方面，仍存在物探方法選擇、儀器設(shè)備性能提升，檢測(cè)路線方式與工作布置等諸多問(wèn)題有待解決與突破。

一、城市道路塌陷的原因分析［1-2］

中國(guó)城市分布于廣袤960萬(wàn)km2的地域中，各城市的自然環(huán)境、地理位置、人文條件等差異很大，城市道路塌陷的原因千差萬(wàn)別，同時(shí)，相同的快速發(fā)展、快速擴(kuò)張的城市狀況，又使其具有了更大的共同性。造成城市道路塌陷的原因大致可分為:①自然地質(zhì)環(huán)境的原因，如巖層與地下水變化造成的巖溶性塌陷、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)造成的斷裂塌陷等;②人類(lèi)生產(chǎn)生活的原因，如地下水過(guò)度開(kāi)采造成的沉降塌陷、礦產(chǎn)開(kāi)采后造成的采空區(qū)塌陷等;③城市建設(shè)工程施工的原因，如地鐵、地下設(shè)施及建筑基礎(chǔ)工程使得原有的地下密實(shí)層被破壞導(dǎo)致的地面塌陷;④地下各類(lèi)管道運(yùn)行故障與缺陷，特別是地下液體傳輸管道破損與斷裂的原因，如自來(lái)水管道泄漏導(dǎo)致路基土被水沖刷、淘蝕，土粒隨水流失引起地面塌陷等。前兩類(lèi)屬區(qū)域性的，不止發(fā)生在城市道路上，塌陷位置、塌陷規(guī)模與地質(zhì)條件有關(guān)，一般發(fā)生在一些特定的城市，出現(xiàn)頻次較低，但塌陷范圍、深度較大，破壞力較強(qiáng);后兩種原因產(chǎn)生的塌陷，其塌陷位置與工程施工場(chǎng)地、管道經(jīng)過(guò)路線相對(duì)應(yīng)，主要發(fā)生在城市道路上，規(guī)模、深度相對(duì)不大，但發(fā)生頻次非常高，是當(dāng)前各城市普遍存在的威脅人民生命財(cái)產(chǎn)的重要危險(xiǎn)源。如2013年7月5日，長(zhǎng)沙湘中路突然發(fā)生塌陷，坑口面積30 m2，一臺(tái)轎車(chē)掉進(jìn)坑中被吞沒(méi)，致使一人喪生，其附近就是市政地下工程施工地;2012年4月1日，北京車(chē)公莊大街路面突然塌陷，造成一行人掉進(jìn)坑中身亡，據(jù)查塌陷是由于熱力管道漏水引起;2009年10月2日，重慶井盛路發(fā)生面積100 m2、深6 m塌陷，塌陷部位有5 m寬的排水箱涵;2012年5月27日，西安牛宏路突發(fā)長(zhǎng)15 m寬10 m深約6 m大坑，原因是地下半徑1 m的管道斷裂漏水。僅公布于媒體的例子就不勝枚舉，因此這些應(yīng)作為城市道路地下塌陷危害檢測(cè)評(píng)估方法研究的主要對(duì)象。

二、地下空洞探測(cè)的物探方法

根據(jù)要探明的地下空洞的位置、深度、大小等特征，選擇不同的物探方法或采用綜合方法進(jìn)行探測(cè)工作。目前比較有效的物探方法有以下幾類(lèi)。

1.普通電法類(lèi)［3］

普通電法利用空洞與周?chē)橘|(zhì)的電阻率差異，通過(guò)研究地下人工供電電流的分布特征，推測(cè)地下空洞的位置、深度、大小等特征。用于地下空洞的普通電法探測(cè)裝置主要有兩種:①對(duì)稱四極測(cè)深，對(duì)稱四極測(cè)深是通過(guò)調(diào)整AB和MN極距改變探測(cè)深度和分辨率，曾在貴州、云南等地巖溶地區(qū)高速鐵路路基探測(cè)中發(fā)揮很大作用［4］;②高密度電法，高密度電法裝置較多，采集數(shù)據(jù)量大、分辨率高，在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。探測(cè)地下空洞一般采用溫納裝置α，道數(shù)和道距根據(jù)目標(biāo)體的深度和大小確定。道距一般1～2 m，道數(shù)60～120道。對(duì)于深度較小的目標(biāo)體，也可選擇α2裝置或微分裝置，提高分辨率。

2.電磁法類(lèi)

用于地下空洞探測(cè)的電磁法勘探主要有兩種:①音頻大地電磁測(cè)深，音頻大地電磁測(cè)深是通過(guò)在地表接收音頻大地電磁電場(chǎng)、磁場(chǎng)信號(hào)，計(jì)算卡尼亞電阻率，分析地下介質(zhì)的電阻率變化特征，推測(cè)地下空洞的位置、埋深、大小等特征。音頻大地電磁測(cè)深探測(cè)深度大，適合探測(cè)埋深較大的地下空洞，目前較常用的儀器是美國(guó)生產(chǎn)的連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀EH4。②探地雷達(dá)［5-6］，探地雷達(dá)是向地下發(fā)射高頻電磁波，通過(guò)接收反射回來(lái)的電磁波，研究地下空洞的位置、深度、大小等特征。探地雷達(dá)分辨率高、工作效率高、探測(cè)深度較小，適合城市道路地下空洞及防空洞探測(cè)。道路地下空洞一般深度較小，宜選用中低頻天線進(jìn)行探測(cè)?？斩瓷疃容^大時(shí)，一般5m左右，宜選用低頻天線進(jìn)行探測(cè)。

3.淺層地震法類(lèi)［7-8］

淺層地震勘探是利用地下不同介質(zhì)的波阻抗差異，通過(guò)研究人工激發(fā)的地震波的傳播特征，推測(cè)地下空洞的位置、深度、大小等特征。該方法分辨率高，但生產(chǎn)成本較高，數(shù)據(jù)處理流程復(fù)雜。用于地下空洞探測(cè)的淺層地震主要有3種方法:①地震縱波反射波勘探;②地震橫波反射波勘探;③地震面波勘探。地震縱波反射波勘探用于埋深幾十米以下的目標(biāo)物探測(cè)，適用于采空區(qū)等探測(cè)。地震橫波反射波勘探和面波勘探探測(cè)深度較小、分辨率高，適合埋深較小的地下空洞探測(cè)。

城市道路空洞埋深較淺，僅在地下數(shù)米之內(nèi)，一般淺層物探方法均應(yīng)有一定效果，但因空洞所處道路環(huán)境，普通電法類(lèi)要求的接地條件無(wú)法滿足，淺層地震法類(lèi)要求的布置多道探頭、檢波器操作難度較大，這兩類(lèi)方法實(shí)用性不夠，對(duì)個(gè)別點(diǎn)探測(cè)尚可，面積性檢測(cè)評(píng)估采用較少。在上述探測(cè)地下空洞的物探方法中，測(cè)深能力與道路地下空洞相匹配，又適合城市道路約束環(huán)境的方法，目前最佳選擇是電磁法類(lèi)的探地雷達(dá)法。

三、探地雷達(dá)應(yīng)用環(huán)境條件分析

地球物理探測(cè)技術(shù)方法應(yīng)用的前提是探測(cè)目標(biāo)與其周?chē)橘|(zhì)存在可檢測(cè)到的物性差異，話即，存在相應(yīng)的物性差異時(shí)，就能將目標(biāo)體探測(cè)出來(lái)。在城市道路探測(cè)地下空洞，應(yīng)用探地雷達(dá)方法的物性條件充分。一般來(lái)講，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)存在介電常數(shù)差異大于1時(shí)，雷達(dá)就可以檢測(cè)到反射。實(shí)際上城市路基介質(zhì)(混凝土、瀝青、土石層等)介電常數(shù)盡管因含水量不同而變化較大，但一般范圍是二點(diǎn)幾到二十幾之間;而空洞的介電常數(shù)一般是充空氣時(shí)為1，充滿水時(shí)為81，或上氣下水兩者兼有，不管哪種情況路基與空洞的介電常數(shù)差異都遠(yuǎn)大于1，滿足物性前提要求。另外，空洞的頂板埋深與空洞的空間尺度(直徑)之比一般小于1，空洞體規(guī)模相對(duì)較大，保證了雷達(dá)探測(cè)能力。城市道路地下空洞探測(cè)存在如此優(yōu)越的地球物理前提條件，但實(shí)踐中雷達(dá)檢測(cè)效果卻未能顯示出其應(yīng)有的探測(cè)能力。這里除了儀器設(shè)備的性能因素外，應(yīng)和雷達(dá)方法應(yīng)用在城市的復(fù)雜環(huán)境中有直接關(guān)系。首先，道路地下空洞附近有城市基礎(chǔ)設(shè)施的包圍，包括各種管道、溝涵、窨井和地上地下線纜，稍遠(yuǎn)有規(guī)模不一的各種構(gòu)筑體、建筑物，它們對(duì)探測(cè)電磁信號(hào)的影響很難進(jìn)行定量評(píng)估;其次城市電力、通信設(shè)施產(chǎn)生的電磁場(chǎng)、無(wú)線廣播、通信發(fā)射基站的電磁波、地下雜散電流信號(hào)等產(chǎn)生的干擾信號(hào)強(qiáng)弱變化大、頻率范圍廣;再次檢測(cè)施工時(shí)很難避開(kāi)的行駛的汽車(chē)、電車(chē)、城軌列車(chē)等產(chǎn)生的隨機(jī)干擾影響等，這些很難壓制、剔除的電磁波信號(hào)干擾到雷達(dá)電磁波信號(hào)，造成雷達(dá)提取的有效電磁波信號(hào)失真，加之道路路基的基質(zhì)非常不均勻、含水量差異大導(dǎo)致路基基質(zhì)介電常數(shù)很不穩(wěn)定，數(shù)值變化范圍很寬，這為雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)信息處理解釋帶來(lái)困難。在上述種種因素疊加影響下進(jìn)行的雷達(dá)道路地下空洞探測(cè)，其檢測(cè)效果未能達(dá)到理想狀態(tài)就是可以理解的了。但這不能阻止我們克服困難去努力探索解決實(shí)際問(wèn)題的路徑。

四、探地雷達(dá)應(yīng)用于道路塌陷危害檢測(cè)評(píng)估的幾個(gè)問(wèn)題

城市道路塌陷危害檢測(cè)評(píng)估有別于道路空洞應(yīng)急處理點(diǎn)的探測(cè)，它是對(duì)城市道路內(nèi)所有可能造成危害的空洞準(zhǔn)確位置、規(guī)模大小及分布狀況進(jìn)行整體普查評(píng)價(jià)，并作出處理方案。這就要求現(xiàn)在使用的探地雷達(dá)從儀器性能、數(shù)據(jù)解釋到施工路線設(shè)計(jì)均應(yīng)改進(jìn)提升。突出表現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.使用天線頻率與探測(cè)深度問(wèn)題

一般情況下，儀器設(shè)備探測(cè)深度的能力與無(wú)線的發(fā)射功率有關(guān)，功率越大探測(cè)越深;與天線的使用頻率有關(guān)，采用頻率越高，信號(hào)的表減越快，探測(cè)深度就變小。試驗(yàn)表明，100 MHz天線(24 bit)單程深度，花崗巖為120～140 m，灰?guī)r為80～90 m，頁(yè)巖為5～6 m，路基介質(zhì)接近頁(yè)巖，基本反映道路空洞的探測(cè)要求。400MHz天線路基介質(zhì)中探測(cè)能力應(yīng)在2 m之內(nèi)，探測(cè)深度不夠，要增加探深除非增強(qiáng)發(fā)射功率，目前還沒(méi)能做到。但一般還是采用400 MHz天線工作。

2.使用天線頻率與水平分辨能力問(wèn)題

使用不同天線頻率水平分辨能力差異較大，100 MHz天線水平分辨能力見(jiàn)表1，對(duì)路基介質(zhì)水平分辨能力大致為，H=1 m時(shí)1.5 m內(nèi)，H=2 m時(shí)2 m之內(nèi)，400 MHz天線水平分辨率有所提高，水平分辨能力大致是100 MHz天線的一半?？梢?jiàn)100 MHz天線剛剛滿足探測(cè)要求。

表1 不同介質(zhì)中的分辨率Rf=(λH+λ/4)1/2

3.雷達(dá)高速探測(cè)與跟蹤定位問(wèn)題

以往MARK、卷尺測(cè)量定位方式，不能適應(yīng)高速探測(cè)定位要求。高速探測(cè)與實(shí)時(shí)GPS測(cè)量結(jié)合，便于快速定位坐標(biāo)異常點(diǎn)和對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)勘查，也可以在大比例尺地形圖上進(jìn)行初步干擾因素分析判斷，降低作業(yè)強(qiáng)度，達(dá)到快速分析評(píng)價(jià)的目的。

4.雷達(dá)探測(cè)作業(yè)部署的針對(duì)性問(wèn)題

雷達(dá)高速探測(cè)無(wú)論每小時(shí)檢測(cè)多少千米，都屬于線狀檢測(cè)，如何完成城市道路整體檢測(cè)評(píng)價(jià)值得研究。如采用高密度線對(duì)道路檢測(cè)，檢測(cè)成本高，實(shí)施周期長(zhǎng)，可能難以承受。若結(jié)合城市管網(wǎng)圖，選擇關(guān)鍵線路布置重點(diǎn)檢測(cè)線開(kāi)展工作，應(yīng)能起到事半功倍的效果。

五、探地雷達(dá)探測(cè)空洞塌陷實(shí)例

1)江西省贛州市宋代古排水涵洞由于年代久遠(yuǎn)無(wú)資料可查，為了進(jìn)行保護(hù)性開(kāi)發(fā)利用，對(duì)其開(kāi)展雷達(dá)探測(cè)工作，圖1為埋深1.0 m、寬1.2 m、高1.5 m的古排水涵洞實(shí)際探測(cè)成果圖。

圖1 贛州市地下排水涵洞探測(cè)圖

2)河北省保定市2012年夏季發(fā)生暴雨災(zāi)害后，多地村莊出現(xiàn)地面塌陷，為預(yù)測(cè)可能再次出現(xiàn)塌陷的地面范圍，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了雷達(dá)探測(cè)，以指導(dǎo)防災(zāi)工作，圖2為實(shí)測(cè)結(jié)果解釋推斷剖面圖。

圖2 保定市塌陷區(qū)探測(cè)推斷解釋剖面圖

3)天津市靜海宋代古墓探測(cè)，圖3為探地雷達(dá)實(shí)測(cè)圖像，圖中方形區(qū)域?yàn)楣拍怪黧w，表現(xiàn)為完整的反射弧，深度在1～1.5 m，寬度約2 m。

圖3 靜海古墓探測(cè)推斷剖面圖

六、結(jié)束語(yǔ)

全國(guó)各城市道路塌陷災(zāi)害事故給人們帶來(lái)的生命與財(cái)產(chǎn)威脅越來(lái)越大，應(yīng)盡快研究出適合對(duì)城市道路快速、準(zhǔn)確、便捷和經(jīng)濟(jì)的空洞塌陷檢測(cè)評(píng)估方法體系，化解道路塌陷危害問(wèn)題，滿足社會(huì)需求，為社會(huì)服務(wù)。盡管探地雷達(dá)應(yīng)用于道路塌陷危害檢測(cè)評(píng)估還存在一些問(wèn)題和不足之處，還需要大量改進(jìn)與提升工作，但該方法仍是目前較合理的選擇。

［1］伍法權(quán).中國(guó)21世紀(jì)若干重大工程地質(zhì)與環(huán)境問(wèn)題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2001，9(2):115-120.

［2］宋谷長(zhǎng).北京市城市道路塌陷成因分析及對(duì)策分析［J］.城市道路與防洪，2011(8):250-252.

［3］李金銘.電法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，1990.

［4］李堅(jiān).綜合物探法在南昆線巖溶復(fù)查工作中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，1998，34(5):42-47.

［5］張臘根，劉基.高密度電法在巖溶地區(qū)路基勘察中的作用［J］.土工基礎(chǔ)，2006，20(5):69-71.

［6］王喜遷.高密度電法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，39(5):55-57.

［7］何剛剛.探地雷達(dá)在公路檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2012(15):188-190.

［8］郭貴安，魏柏林.井間電磁波CT技術(shù)在溶洞探測(cè)中的應(yīng)用［J］.華南地震，1999，19(4):28-34.