李松洲，陳新容，何 莉，梁文戈

（廣東煤炭地質(zhì)二〇二勘探隊(duì)，廣東廣州 510800）

0 引言

城市地質(zhì)災(zāi)害是城市化快速發(fā)展中自然與人為雙重作用下的新型地質(zhì)災(zāi)害［1-2］。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人類地質(zhì)活動(dòng)日益頻繁，城市地質(zhì)環(huán)境變化日益增大，地質(zhì)災(zāi)害隱患增多，城市地質(zhì)事故頻繁發(fā)生，影響和制約著城市的發(fā)展［3-7］，城市地質(zhì)災(zāi)害防控工作勢(shì)在必行。城市地下異常體物理探測(cè)是厘清城市地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制的重要手段［8-9］，目前，我國(guó)在城市地質(zhì)災(zāi)害勘查和監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，還存在著一些瓶頸和挑戰(zhàn)［10］，亟需建設(shè)一個(gè)城市地下異常體物探試驗(yàn)基地，為城市地質(zhì)災(zāi)害物探技術(shù)研究和創(chuàng)新提供實(shí)地驗(yàn)證和測(cè)試平臺(tái)，推動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害防控技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，從而更好地理解和處理城市地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，有效減少災(zāi)害損失。

為此，在考察國(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)基地的基礎(chǔ)上，針對(duì)城市不良地質(zhì)體特征，構(gòu)建了不同尺度的城市地下災(zāi)害體模型，并根據(jù)不同埋深配置不同尺寸，研建了國(guó)內(nèi)首個(gè)包括孤石、溶洞、管線等模型的城市地下異常體物探試驗(yàn)基地，為城市地下異常體綜合勘查技術(shù)實(shí)踐、研究及發(fā)展提供有效的試驗(yàn)場(chǎng)所。

1 基地選址

1.1 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)基地建設(shè)現(xiàn)狀

為建設(shè)城市不良地質(zhì)體勘查技術(shù)試驗(yàn)基地，對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

首先考察了中公高科霸州公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程研究中心基地標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場(chǎng)地。該場(chǎng)地主要針對(duì)城市道路病害，試驗(yàn)區(qū)沿道路布設(shè)，長(zhǎng)120～150 m，寬6～7 m。地下0.5～4 m 深度分別埋置有鋼鐵材質(zhì)、PVC 材質(zhì)和水泥材質(zhì)的管道、不同形狀的亞克力以模擬脫空、疏松、孤石等道路病害。場(chǎng)地采取全開(kāi)挖，埋置地下試驗(yàn)物，然后填埋、壓實(shí)，盡量模擬實(shí)際道路。在該場(chǎng)地進(jìn)行了探地雷達(dá)精細(xì)探測(cè)試驗(yàn)和綜合地震試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：高密度三維探地雷達(dá)和綜合地震可以探測(cè)地下異常，但探測(cè)結(jié)果與實(shí)際的城市道路探測(cè)有較大的差異，路面瀝青層（或水泥層）下的土層不夠密實(shí)，電磁波、地震波散射比較嚴(yán)重［11］。

其次調(diào)研了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地。該試驗(yàn)基地長(zhǎng)約26 m，寬約16 m，深約5 m。模擬煤礦井下地質(zhì)條件建立地質(zhì)模型，四周是模擬巷道，巷道高約2 m，寬約1.5 m。內(nèi)部模擬煤層，同時(shí)布設(shè)了斷層、陷落柱、溶洞、空洞等地質(zhì)異常體。在該場(chǎng)地進(jìn)行了綜合地震試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后顯示部分地質(zhì)異常。

分析上述試驗(yàn)場(chǎng)地調(diào)研及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：①以上基地模型埋深均較淺；②以上場(chǎng)地建設(shè)時(shí)采用全開(kāi)挖，對(duì)表層地質(zhì)條件破壞較大，因此與實(shí)際的勘探場(chǎng)景有較大的差距。綜合分析調(diào)研的試驗(yàn)基地特點(diǎn)，結(jié)合引起城市地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)異常體特征，選擇城市不良地質(zhì)災(zāi)害勘查技術(shù)試驗(yàn)基地建在廣東韶關(guān)202地質(zhì)隊(duì)基地。

1.2 基地自然地理特征

202 地質(zhì)隊(duì)基地屬亞熱帶濕潤(rùn)型季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量1 700 mm，地下水資源豐富，地下水位埋深6.8～12.4 m。地表為紅層覆蓋，其下面隱伏壺天群石灰?guī)r。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鄰近勘察情況，場(chǎng)地內(nèi)下伏基巖溶洞較發(fā)育，場(chǎng)地內(nèi)6 個(gè)鉆孔有揭露，石灰?guī)r肉紅色，裂隙發(fā)育，巖心呈碎塊狀或短柱狀?；氐淖匀患暗刭|(zhì)條件與南方城市地鐵施工中遇到的孤石、巖溶等地質(zhì)問(wèn)題非常相似。

基地從地面到基巖面埋深可達(dá)10 m，深度上可以布設(shè)更多的地質(zhì)模型，也可以進(jìn)行模型深度上的組合，更好地模擬城市地質(zhì)異常體。根據(jù)鉆孔揭露情況得出，基地土層主要有：人工填土（Q4ml素填土）、殘積土（Q4el），各土層特征由新到老分述如下：

①人工填土（Q4ml素填土）：紫黃或紫紅色，主要成分為粉質(zhì)黏士，含少量風(fēng)化砂巖碎礫，松散，較均勻，除綜合樓1～6 號(hào)孔外，其余大部分鉆孔底部有0.4～2 m 耕植土，場(chǎng)區(qū)南西側(cè)有7個(gè)鉆孔底部有0.6～1 m 魚(yú)塘淤積土。該層所有鉆孔均有揭露。層厚0.8～9.5 m，平均5.27 m。

②第四系殘積土（Q4el）：粉質(zhì)黏土，紫紅色或黃色，濕—很濕，可塑—硬塑，局部含少量強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r碎礫。該層除4個(gè)鉆孔缺失，其余各鉆孔均有分布。揭露厚度1.6～20.4 m，平均10.21 m；黏土，紫紅色或黃色，濕—很濕，可塑—硬塑，局部含少量強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r碎礫。該層除25 個(gè)鉆孔缺失，其余50 個(gè)鉆孔均有分布。揭露厚度2.3～20.0 m，平均9.09 m。

2 基地設(shè)計(jì)

2.1 城市地質(zhì)災(zāi)害模型設(shè)計(jì)

通過(guò)前期調(diào)研城市地質(zhì)災(zāi)害存在特征，設(shè)計(jì)不同埋深、不同材質(zhì)、不同城市的城市不良地質(zhì)體模型32 個(gè)，其中孤石模型9 個(gè)，溶洞模型5 個(gè)，溶洞管道組合模型2個(gè)，管道模型12個(gè)，管排模型4個(gè)?；卦O(shè)計(jì)鉆孔12個(gè)，模型的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型試件參數(shù)Table 1 Specimen model parameters

2.2 試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)

試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)的原則：要符合城市規(guī)劃要求，試件模型大小及尺寸設(shè)計(jì)要符合城市地下災(zāi)害體存在實(shí)際；要結(jié)合地形、地貌及周邊環(huán)境，確保安全、有利于開(kāi)展試驗(yàn)、方便管理的原則合理布置場(chǎng)地；要考慮勘查設(shè)備進(jìn)出，基地與場(chǎng)外要有順暢的通道等條件。

本試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)長(zhǎng)40 m，寬20 m，總面積800 m2。地下埋設(shè)模擬城市不良地質(zhì)體模型32個(gè)，其中孤石模型9 個(gè)，溶洞模型5 個(gè)，溶洞管道組合模型2個(gè)，管道模型12 個(gè)，管排模型4 個(gè)，設(shè)計(jì)鉆孔12 個(gè)（孔深20 m）。其中，0.3 m PE 管道用量26 m，0.6 m PE 管道用量24 m，0.6 m 砼管用量3 m，1.2 m 砼管用量12 m。7 個(gè)模型布設(shè)光纖，每個(gè)模型安裝2 組光纖線，光纖線直徑分別為5 mm、7 mm。綜合考慮勘查方法的組合及施工的便利，模型的平面布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)基地平面布置圖Figure 1 Layout plan of the test site

3 基地建設(shè)

3.1 施工工藝

此次基地建設(shè)的重要特點(diǎn)是最大限度模擬地質(zhì)體的原生環(huán)境，盡量減少對(duì)地層的破壞，采用了有針對(duì)性的施工工藝。

1）基地表層主要為土層，模型最深孔深為11.5 m，未見(jiàn)巖層。地下水位2.5～5 m。因此，對(duì)孔深超過(guò)7 m，且為長(zhǎng)條形狀的模型需要進(jìn)行基坑支護(hù)，拉森鋼板樁具備強(qiáng)度高、剛度大、施工簡(jiǎn)便、抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)［12-13］，因此在對(duì)埋深較深的模型進(jìn)行引孔前先采用拉森鋼板樁進(jìn)行支護(hù)，再采用旋挖機(jī)進(jìn)行主副孔施工，最后進(jìn)行統(tǒng)一修整孔圓弧邊，完全修整后再進(jìn)行安置模型工作。

2）光纖布設(shè)：涉及的模型為管道（砼）模型、管道（PE管模型）。其中管道（砼）模型，安裝使用騎馬卡固定、管道（PE管模型）使用碳纖維布及碳纖維膠水固定。

3.1.1 引孔工藝

埋設(shè)較淺的模型采用挖掘機(jī)挖掘出足夠尺寸孔徑（槽）的引孔方式，埋設(shè)較深的模型孔（槽）則采用旋挖鉆機(jī)。以直徑0.6 m、長(zhǎng)4 m、埋深7.5 m 的管道（PE）模型試件旋挖成槽工藝為例，如圖2所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程使用旋挖機(jī)進(jìn)行挖掘，為順利將長(zhǎng)度為4 m 的管道試件安裝到地底，創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)度為4.8 m 深度為7.5 m 的槽。由于該模型埋設(shè)深度較深，為防止塌孔，先采用拉森鋼板支撐后旋挖機(jī)施工，再采用直徑為0.8 m的旋挖鉆頭進(jìn)行操作，首先，利用旋挖機(jī)挖掘5 個(gè)主孔，每個(gè)主孔之間的間距為0.2 m。 在挖掘主孔時(shí)，旋挖鉆頭將深入土壤或巖石，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)切削的方式將其粉碎。完成主孔挖掘后，再開(kāi)展4 個(gè)副孔的清理工作。副孔是為將主孔挖掘過(guò)程中產(chǎn)生的土壤或巖石屑料排出的附加孔洞。通過(guò)清理副孔，確保槽的內(nèi)部光滑和整潔。

圖2 管道（PE）旋挖成槽示意圖Figure 2 Schematic diagram of a pipe（PE）rotary trenching

3.1.2 埋置工藝

首先檢查模型是否存在破損、變形等問(wèn)題，確保幾何形狀和尺寸符合設(shè)計(jì)要求。然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，核對(duì)模型埋置的坐標(biāo)系，測(cè)量模型埋置的深度和寬度，確保模型位置準(zhǔn)確無(wú)誤。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和模型的特點(diǎn)，安裝適當(dāng)?shù)牡跹b裝置，根據(jù)操作規(guī)程進(jìn)行吊裝，控制好吊裝速度和角度，保證模型安全穩(wěn)定地吊裝到預(yù)定位置。然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇進(jìn)行土方回填，分層夯實(shí)，確?；靥钔练骄鶆颉⒕o密。模型試件安裝放置吊裝工藝如圖3 所示。以溶洞模型放置工藝為例，為將直徑為1.5 m 的溶洞模型試件安裝到地底，利用鋼絲繩長(zhǎng)度達(dá)10 m 的起重機(jī)進(jìn)行吊裝。為確保順利進(jìn)行吊裝安置，地面引孔的直徑需要達(dá)到1.8 m。

圖3 溶洞模型試件吊裝示意圖Figure 3 Lifting schematic for cave specimen model

3.2 基地3D建模

試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)48 m，寬32 m，占地面積1 536 m2。為了直觀了解試驗(yàn)基地模型的布局、尺寸、埋深等信息，實(shí)現(xiàn)地下異常體模型可視化，利用專業(yè)建模軟件，以各個(gè)模型原始數(shù)據(jù)（包含模型個(gè)數(shù)、模型大小、模型埋置深度、模型坐標(biāo)等）為基礎(chǔ)，創(chuàng)建可以反映不同類型災(zāi)害體模型特征的數(shù)字化模型，構(gòu)建了城市不良地質(zhì)體勘查技術(shù)試驗(yàn)基地三維模型，如圖4 所示。試驗(yàn)基地三維模型的建立，不僅實(shí)現(xiàn)了地下模型的三維可視化，也為后面的勘查技術(shù)試驗(yàn)、研發(fā)設(shè)備檢測(cè)等基地運(yùn)營(yíng)服務(wù)提供便利。

圖4 樣件模型三維布置Figure 4 3D Layout of specimen model

4 基地規(guī)劃

近年來(lái)工程技術(shù)人員探索了多種地質(zhì)、地球物理方法來(lái)探測(cè)城市不良地質(zhì)體，取得了很好的效果。但隨著探測(cè)進(jìn)入“深水區(qū)”，單一方法很難突破，因此研究城市不良地質(zhì)體綜合探測(cè)技術(shù)，提高勘查精度具有重要意義［14-16］。廣東韶關(guān)城市地質(zhì)災(zāi)害勘查技術(shù)試驗(yàn)基地的建成，恰逢其時(shí)，具有重要的意義。

1）勘查技術(shù)方法有效性評(píng)估：通過(guò)構(gòu)建不同尺寸的地下病害體模型、管道模型和孤石等模型，基地提供一個(gè)盡量模擬真實(shí)城市地下異常體的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，為綜合勘查技術(shù)的研究提供了合適的場(chǎng)地。在該場(chǎng)地進(jìn)行綜合勘查技術(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果可與模型對(duì)比，從而判斷該技術(shù)方法的有效性及精度。如后續(xù)要進(jìn)行的被動(dòng)源地震勘探技術(shù)，在中深層有很好的成功案例，但在淺層地質(zhì)異常體探測(cè)中，一直缺乏直接的驗(yàn)證，通過(guò)后續(xù)的綜合地震試驗(yàn)，就可以直觀進(jìn)行判斷，確定該方法在城市不良地質(zhì)體探測(cè)中的有效性，評(píng)估其勘探精度。

2）設(shè)備的有效性檢驗(yàn)及精度分析：各單位購(gòu)置或自研設(shè)備可以在試驗(yàn)基地進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)與模型的對(duì)比，可以有效判斷該設(shè)備的有效性及勘探精度，為設(shè)備的檢驗(yàn)及精度測(cè)試提供服務(wù)。比如，我們研發(fā)的城市地震快速采集設(shè)備，雖然在道路上進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了很好的效果，但精度的評(píng)估還需要已知數(shù)據(jù)做支撐，試驗(yàn)基地正好可以滿足要求。

3）勘查工作方案優(yōu)化：基于基地內(nèi)的模型試驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)城市地質(zhì)災(zāi)害勘查的工作方案進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)針對(duì)性的試驗(yàn)和研究，可以改進(jìn)勘查方法、優(yōu)化方法組合、選擇合適的儀器設(shè)備，從而提高地質(zhì)異常體的勘查效率，為城市地質(zhì)災(zāi)害防范提供更可靠的技術(shù)支撐。

4）促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化：堅(jiān)持開(kāi)放共享、合作共贏的發(fā)展理念。加強(qiáng)試驗(yàn)基地與政府、科研單位、龍頭企業(yè)的合作，推動(dòng)成果落地實(shí)施，將試驗(yàn)基地建成產(chǎn)學(xué)研用一體化科研平臺(tái)，成為城市不良地質(zhì)體勘查領(lǐng)域最新科技成果，最新設(shè)備展示平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

在考察國(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)基地的基礎(chǔ)上，針對(duì)城市不良地質(zhì)體的特征，構(gòu)建城市地下災(zāi)害體模型，并根據(jù)不同埋深配置不同尺寸，在廣東韶關(guān)研建中國(guó)煤炭地質(zhì)總局城市地質(zhì)災(zāi)害勘查試驗(yàn)基地，為城市不良地質(zhì)體綜合勘查技術(shù)實(shí)踐、研究及發(fā)展提供有效的試驗(yàn)場(chǎng)所。基地占地面積1 536 m2，地下埋設(shè)孤石、溶洞、管線等地質(zhì)異常體模型32 個(gè)，鉆孔12個(gè)。建立了城市不良地質(zhì)體勘查技術(shù)試驗(yàn)基地三維模型，實(shí)現(xiàn)了地下異常體模型三維可視化，為后續(xù)的勘查技術(shù)試驗(yàn)、研發(fā)設(shè)備檢測(cè)等基地運(yùn)營(yíng)服務(wù)提供便利。

受現(xiàn)階段研究深度和建設(shè)規(guī)模所限，試驗(yàn)基地模型種類不夠全面，缺乏金屬管線、串珠溶洞等模型。另外城市不良地質(zhì)體模型設(shè)計(jì)不夠全面，缺乏對(duì)深層次地質(zhì)體的設(shè)置，實(shí)際生活中，部分城市地下空間開(kāi)發(fā)深度遠(yuǎn)不止10 m，待后續(xù)條件成熟，可在基地內(nèi)增加埋深更大的地質(zhì)異常體模型，從而提高物探試驗(yàn)結(jié)果的推廣度。