物探技術(shù)在城市地下空間開發(fā)中的應(yīng)用

劉傳逢，張云霞

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著城市化進程的加快，城市人口、交通、資源、環(huán)境等各方面的壓力越來越大，不少城市已經(jīng)陷入地面空間不足的突出問題。地下空間開發(fā)已成為建設(shè)集約型城市，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。地下空間是人類潛在的和豐富的自然資源，具有不可再生的特點。因此，地下空間開發(fā)應(yīng)該遵循有序開發(fā)和合理利用的原則，必須堅持綜合、協(xié)調(diào)、防護、環(huán)保的原則，通過對地下空間現(xiàn)狀綜合分析，對地下各項設(shè)施進行系統(tǒng)整合、統(tǒng)籌考慮，堅持地上、地下一體化發(fā)展，使城市的地上、地下空間統(tǒng)一規(guī)劃、同步建設(shè)、互為補充。

城市規(guī)劃建設(shè)是龍頭，地下空間的合理開發(fā)離不開科學(xué)的規(guī)劃指導(dǎo)，而實現(xiàn)科學(xué)規(guī)劃的第一步就是要獲取地下空間現(xiàn)狀信息。通過調(diào)查分析現(xiàn)有的地下空間狀況，對地下空間資源做出評價和預(yù)測，可以作為地下空間布局和選址的依據(jù)［1］。尤其當(dāng)?shù)叵鹿こ淘絹碓蕉啵恢靡笤絹碓骄_，地下空間現(xiàn)狀信息是否完備準(zhǔn)確，對于規(guī)劃、設(shè)計、施工都至關(guān)重要。相對于地面地理信息的獲取方法，地下空間信息的獲取較為困難，物探技術(shù)憑借高效、經(jīng)濟、施工靈活、信息豐富，探測效果好等優(yōu)點在工程地質(zhì)勘查中應(yīng)用廣泛［2］。本文將重點介紹淺層地震法、電磁感應(yīng)法、探地雷達法和高密度電阻率法這4 種主要物探技術(shù)在獲取地下空間信息中的應(yīng)用。

2 地下空間

2.1 地下空間分層

城市地下空間是城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)地表以下的空間。人們通常將地下空間豎向?qū)哟蝿澐譃榈叵?0 m以上淺層，地下30 m～100 m中層和地下100 m以下深層三個層次［1］。為了能夠有效利用地下空間資源，通常在不同層次設(shè)置不同用途:淺層設(shè)置共同溝敷設(shè)地下管網(wǎng);中層修建地下街、停車場等;深層建地鐵等。目前一些發(fā)達國家地下淺層部分已經(jīng)基本利用完畢，表現(xiàn)為地下綜合體的出現(xiàn)，隨著深層開挖技術(shù)和裝備的進一步完善，正逐步向深層開發(fā)。日本則充分發(fā)揮了地下空間作用，如修建地下高速道路、停車場、共同溝、排泄與蓄水的地下河川、地下熱電站、蓄水的融雪槽和防災(zāi)設(shè)施等。目前，鑒于我國的經(jīng)濟技術(shù)實力和城市建設(shè)的需要，我國地下空間開發(fā)主要為地下30 m以上的淺層。

2.2 地下空間信息

地下空間信息包括實體定位信息、非定位信息以及時間尺度信息［3］。其中實體定位信息包括有地層信息(含地質(zhì)構(gòu)造)、地下構(gòu)筑物(地下管線、地基、人防工程)信息和地下水等自然信息;非定位信息包括地層環(huán)境信息和工程地質(zhì)信息兩部分，地層環(huán)境信息指的是有關(guān)地層的屬性、狀態(tài)的描述信息如污染情況、沉降情況、歷史開挖情況等，而工程地質(zhì)信息指地層區(qū)域分布情況、斷層走向及產(chǎn)狀等信息;時間尺度信息是記錄定位信息和非定位信息的不同時間尺度信息。

3 利用物探技術(shù)獲取地下空間信息

物探技術(shù)是利用先進的物探儀器攝取被探測地質(zhì)目標(biāo)物理場的分布并與均質(zhì)條件下的物理場比較，找出異常部分來研究與探測目標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，達到解決地質(zhì)問題或工程問題的目的。

由于物探技術(shù)實際應(yīng)用時是測量地質(zhì)目標(biāo)與周圍介質(zhì)的某一物理特征參數(shù)(如密度、電性、磁性、彈性、放射性、熱物理性等)，故物探技術(shù)根據(jù)測試參數(shù)的不同大致可以分為:①重力勘探;②磁法勘探;③電法勘探;④地震勘探物探;⑤放射性勘探;⑥地?zé)峥碧降取?/p>

物探技術(shù)在地下空間開發(fā)中的應(yīng)用涉及面很多，如淺層地震法探測地下地質(zhì)構(gòu)造，電磁感應(yīng)法、探地雷達法探測地下管線，探地雷達探測人防工程、樁基，高密度電阻率法探測地面沉降和溶洞等。

3.1 地下空間地質(zhì)調(diào)查

開展城市地下空間地質(zhì)調(diào)查是進行地下空間開發(fā)的前提。城市地鐵隧道、公路隧道、鐵路隧道、地下街道、人防工程等的選線以及地下車庫、地下商場、地下倉庫等的選址必須充分了解待開發(fā)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)狀況。由于在進行城市地質(zhì)調(diào)查時需要采取非開挖的勘查方式，而物探技術(shù)正是憑借其無損性被廣泛用于城市地質(zhì)調(diào)查的初期。

淺層地震法是一種用于淺部地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用地球物理方法，具有勘探精度高、效果好的特點，可以提供地基基底的幾何形狀、地層結(jié)構(gòu)(包括厚度和分界面位置)、斷層位置與產(chǎn)狀等有關(guān)信息，為大型工程的選線和選址提供依據(jù)。

淺層地震法是運用了彈性波的反射和透射基本定律，即在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)反射波的反射角與入射角相等和入射角正弦值之比等于介質(zhì)中的波速之比［4］:

式中，θ1，2，…，n為連續(xù)介質(zhì)不同介面上的入射角;V1，2，…，n為連續(xù)介質(zhì)不同層的波速;P 為射線參數(shù)。

淺層反射法的分辨力、探測精度相對更好，在各種地面探測中取得了較好效果，但是成本相對較高;淺層折射法在覆蓋層探測中具有技術(shù)優(yōu)勢，但該方法受到施工場地影響明顯［5］。圖1 為吳曲波等［6］在華北地區(qū)某地的地震反射深度剖面。從圖1 中可以看出，淺層地震反射波法準(zhǔn)確的定位了研究區(qū)內(nèi)的斷裂位置，劃分了工作區(qū)內(nèi)的第四系地層厚度及下伏基巖巖性分布規(guī)律，為城市工程選址打下了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 華北地區(qū)某地地震波反射深度剖面(引自文獻［6］)

3.2 地下管線調(diào)查

地下管線是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，涵蓋電力電纜、通訊電纜、給水管線、工業(yè)管道、燃?xì)夤芫€、供熱管線、排水管線(雨水、污水)以及其他特殊管線，被稱為城市的“生命線”。地下管線的材質(zhì)各不相同，即使是同一種管線，材質(zhì)也有多種，如:鑄鐵、鋼、混凝土、塑料、銅、光纖等。目前每條高架橋、地鐵、隧道、高速公路以及各類非開挖施工的第一步就是開展地下管線探測。

電磁感應(yīng)法是目前探測地下管線最成熟、操作最方便的方法，其原理是利用地下管線與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異，采用人工激發(fā)的方式使管線載有電流，在地面上接收電流產(chǎn)生的交變磁場，通過研究該磁場空間與時間分布規(guī)律對地下管線進行追蹤、定位和定深。目前國內(nèi)外的管線探測儀的直接法、夾鉗法及感應(yīng)法等多種手段都毫不例外地采用了這種方法，它是目前我國探測地下管線應(yīng)用最為廣泛的物探技術(shù)。

管線探測儀能基本準(zhǔn)確定位地下金屬管線，但對于非金屬管線沒有探測效果，盡管管線探測儀生產(chǎn)商配備探測非金屬管道的示蹤探頭，但在一些非金屬給水、高壓污水和燃?xì)夤艿廊狈?yīng)用條件。由于城市大部分區(qū)域缺乏開挖、打樣洞探查條件，使用探地雷達進行無損探查成為唯一有效方法。實驗研究表明應(yīng)用探地雷達可以獲取地下管線的斷面尺寸、材質(zhì)以及其中的充填物和其他信息［7］。

3.3 工程地質(zhì)勘查

我國當(dāng)今時代正處于經(jīng)濟快速發(fā)展時期，城市建設(shè)及重建工程日益增多，地下空間的工程地質(zhì)勘查工作在城市建設(shè)中的地位日益重要。探地雷達作為一種重要的物探技術(shù)，具有快速無損、分辨率高、實時剖面記錄圖像清晰直觀和受外界干擾影響小的特點，被廣泛應(yīng)用于城市工程地質(zhì)勘查中，諸如探測地下管線、人防工程、地基檢測等。

探地雷達是一種利用高頻脈沖電磁波探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)與特征的電磁波探測技術(shù)［8］。它采用一對天線進行工作，發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射高頻、寬頻帶脈沖電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到電磁性差異分界面時發(fā)生反射和透射;反射的電磁波傳回地表被接收天線接收;通過分析反射電磁波的時域特征和振幅特征可以確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。

高層建筑工程項目在我國大中城市建設(shè)中大量增長，高層建筑具有重心高、基底壓力大和基礎(chǔ)埋置深等特點。淺埋人防工程對于高層建筑地基危害極大，探地雷達剖面不僅能精確顯示人防工程的平面邊界位置，而且還能反映人防工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點。圖2 為胡朝彬等［9］探測到的雙孔防空洞雷達剖面，矩形所圈定區(qū)域有兩個明顯的連續(xù)略微起伏的弧形同相軸，推斷由雙孔防空洞引起的異常，并得到雙孔防空洞示意圖(如圖3 所示)。

圖2 雙孔防空洞探地雷達剖面圖

圖3 結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖(引自文獻［9］)

地基勘查是城市工程建設(shè)中不可缺少的一環(huán)，常規(guī)的鉆探方法雖然簡單直接，但是鉆孔之間的地質(zhì)情況只能靠推測，而且費工時且成本較高。探地雷達技術(shù)能反映和區(qū)分不同地下介質(zhì)層的界面，指出其精確深度、厚度和介質(zhì)性質(zhì);同時其探測結(jié)果能反映與實際連續(xù)變化的地下剖面相符的圖像。大量實踐表明應(yīng)用探地雷達進行地基勘查可以縮短工作周期甚至不施鉆孔達到滿意效果［10～12］。

如果隧道或地鐵線路經(jīng)過地面建筑下方，則需對該建筑樁基礎(chǔ)平面位置與埋深進行調(diào)查，由于場地限制，雷達測線不能布設(shè)在樁基礎(chǔ)上方，這就需要借助房屋周邊已布置鉆孔，利用鉆孔雷達對其進行定位。鉆孔雷達技術(shù)是一種井中探地雷達，包括雷達機和接收機，并內(nèi)置于不同的天線內(nèi)。天線通過光纖與控制單元相連，光纖用來傳輸觸發(fā)信號和采集的數(shù)據(jù)，筆記本用來存儲和顯示圖像(如圖4 所示)。

圖4 鉆孔雷達測量示意圖(引自文獻［13］)

3.4 次生地質(zhì)災(zāi)害勘察

人類對于地下空間的不合理開發(fā)易導(dǎo)致城市次生地質(zhì)災(zāi)害如地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷的形成，嚴(yán)重危害到人民的生命和財產(chǎn)安全［14］。地面沉降波及范圍廣，下沉速率緩慢，往往不易察覺，對建筑物、城市建設(shè)危害極大。地裂縫寬度極小，埋深變化大，延伸較長，嚴(yán)重破壞地面及地下各種建筑、設(shè)施。巖溶地面塌陷主要分布于巖溶強烈到中等發(fā)育的覆蓋型碳酸鹽巖地區(qū)，不僅破壞巖溶區(qū)工程設(shè)施，而且易造成巖溶區(qū)水土流失、導(dǎo)致自然環(huán)境惡化。

高密度電阻率法與常規(guī)的電阻率法相比，它在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置形式，在電性不均勻的探測中取得了良好的地質(zhì)效果。一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，同時又能提供沿縱向巖層的電性變化情況，具備點剖面和電測深兩種方法的綜合勘探能力。

目前精密水準(zhǔn)測量和合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于城市地面沉降的監(jiān)測，而高密度電阻率法則能夠快速查明地面沉降的誘發(fā)機制［15］。同時，利用高密度電阻率法可以探測地裂縫的位置、產(chǎn)狀及充填狀況，不僅效率高，耗資小，而且分辨率高。圖5 為肖宏躍等［16］利用高密度電阻率法在西安市某地地裂縫上的勘察結(jié)果，其中視電阻率等值線清晰地反映了F1、F2 兩條裂縫的位置及傾向。

圖5 西安市地裂縫高密度電阻率法探測斷面圖(引自文獻［16］)

高密度電阻率法在巖溶災(zāi)害調(diào)查中可用于劃分可溶巖區(qū)、勘察基巖斷裂構(gòu)造、了解基巖巖溶發(fā)育情況等。圖6 為王喜遷等［17］利用高密度電阻率法某高速公路的巖溶勘察的高密度電法電阻率斷面圖。

文中僅僅只是簡要介紹了4 種主要物探技術(shù)在獲取地下空間信息某一方面的應(yīng)用。每種物探方法的應(yīng)用都依據(jù)一定的物理前提，同時地質(zhì)、地球物理條件和邊界特征對于探測成果具有較大影響。鑒于單一地球物理探測方法的局限性和探測成果解釋的多解性，加上目前大中型重點建設(shè)工程大多存在比較復(fù)雜的地質(zhì)和工程問題，采用單一的物探方法一般難以查明或解決有關(guān)地質(zhì)和工程問題。實際時應(yīng)采用綜合探測方法互相佐證，并緊密結(jié)合相關(guān)資料綜合分析，提高探測結(jié)果精度和成果可靠性。

圖6 某高速公路高密度電法電阻率斷面圖(引自文獻［17］)

4 結(jié) 語

開發(fā)地下空間，逐步形成地面空間、上部空間和地下空間協(xié)調(diào)發(fā)展的立體化新模式，是現(xiàn)代化城市的發(fā)展方向，是城市可持續(xù)發(fā)展的客觀要求和社會發(fā)展的必然趨勢。而要想實現(xiàn)對地下空間的合理開發(fā)，首要前提是查明地下空間現(xiàn)狀信息。

物探技術(shù)在城市地下空間開發(fā)中的地位已越來越重要，許多探測成果可以直接為城市工程設(shè)計提供依據(jù)。但物探技術(shù)也有局限性，實際工作中要因地制宜，合理選擇物探方法，使物探技術(shù)更好地，更準(zhǔn)確地為城市規(guī)劃建設(shè)服務(wù)。

地下空間開發(fā)的理想模式是充分發(fā)揮物探技術(shù)的高分辨率、高效率等優(yōu)勢，綜合運用計算機技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等測繪技術(shù)，建立基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)的地下空間三維信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠直觀反映地下多層建(構(gòu))筑物、市政設(shè)施及地層信息，為地下空間規(guī)劃設(shè)計提供重要依據(jù)。相信隨著地下空間開發(fā)的不斷深入，物探技術(shù)將在其規(guī)劃建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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