城市地質精細探測方法綜述及技術展望

郝志東

（甘肅省有色金屬地質礦產勘查局白銀礦產勘查院，甘肅 白銀 730900）

截止2020年我國城市化率達到63.89%，城市的不斷快速無序擴張，導致各類“城市病”慢慢地凸顯出來，如交通擁堵、城市內澇、地下管線不清、城市資源浪費、城市環境問題惡化等；城市的無序擴張也導致了建設用地的緊張以及對耕地的擠占［1］。城市地下空間的充分開發利用，可以提高城市土地利用率，緩解城市中心密度，做到人車立體分流［2］，擴充基礎設施流量，減少環境污染，改善城市生態，增強城市功能，提高城市效率與防災韌性等［3］。而地下空間資源的合理安全開發利用，離不開對地下空間各類參數的精細探測［4］。城市地下空間逐步從傳統的勘測手段向智能化方向發展，其具有流程數字化、存儲利用一體化、數據分析智能化、管理決策實時化的特點［4-5］。城市地質探測與地下空間開發利用存在的主要難題有［6］：場地地質條件不清、不良地質探測不準確、缺乏精細的邊界刻畫等。由于城市地下空間的探測受制于周邊復雜的電場磁場環境，已有建筑物條件限制，傳統的探測方法難以施展而導致探測盲區，易留下工程隱患。

1 適用于城市地下空間探測的方法

基于數字信息化平臺共享機制的城市地上地下空間一體化數據庫及三維數據模型的構建，需要探測方法具有可數字化、共享共用性。探測的基本方法與傳統地質勘探的方法在原理上是大同小異的，只是應用于城市地下空間探測的方法更具有靈活性、抗干擾性及探測網格的不規則性等特點，并針對地下200 m以內空間的精細探測，其主要地球物理方法有淺層地震勘探、高密度電法、地面瞬變電磁法、地質雷達法、微動探測法、跨孔彈性波CT、跨孔雷達、跨孔電阻率CT等［7-8］。

1.1 淺層地震勘探

淺層地震勘探對調查場地基本無損壞，探測精度也高，因此在城市地下地質探測中占有重要地位。淺震不僅可以探測地下不良地質體，通過矯正還可求取工程上需要的力學等方面的參數（比如S波速度）。因此淺震在城市淺層地質精細勘探中具有較大的應用潛力［9］。

鑒于淺震探測的良好適用性及較好的探測效果，國際上研發出了陸上“地震拖纜系統”，該系統可極大提升淺震在城市地下勘探過程中的施工效率［9］。該系統可充分利用橫波對地下地質體及地質參數進行探測；橫波地震勘探可對沖擊層地下地質結構進行高分辨率層析成像，其探測深度一般可達到約60 m。縱波淺震勘探的高精度探測深度可達到約200 m。總之“地震拖纜系統”可以在城市路面等線狀場地對地下地質體進行有效探測。

淺震的優點在于其可以有效探測城市地下空間高波阻抗界面的識別刻畫以及判定地層的連續性及壓實情況等［10］；其缺點是無法精細地探測地層的巖性及其含水性［10］，同時淺震在城市中施工易受施工場地條件約束及震源噪聲的影響。

1.2 地質雷達法

探地雷達是利用天線將高頻、超高頻微波頻段的電磁波向地下發射，根據電磁波在地下不均勻地質體傳播過程中其介電常數的差異產生不同的反射、衍射和折射的電磁波判斷地下地質結構的方法。通過天線接收經地層反射后的電磁波，根據介質的反射系數、電磁場強度、發射接收時間間隔、雷達掃描圖像等數據就能解釋推斷地下地質體情況［11］。地下物質介電常數的差別是高頻電磁波反射產生差異的根本原因，探測過程中常見地層的相對介電常數見表1所列。

表1 常見介質相對介電常數［11］

根據地下介質介電常數的差異，利用地質雷達法可以探測地下15m 以下淺的空洞、塌陷、道路損毀情況、滲水情況、PVC 管與金屬管、不良地質體等。探地雷達在城市地質精細探測信號所受到的干擾較多，同樣測線布置受限較多，目前的探測精度并不高，如何去除干擾、提高精度將是以后探地雷達探測研究的主要研究方向。

1.3 微動探測法

微動是指地面的微弱振動，其震源包括但不限于潮汐、海浪拍擊海岸，以及人類生產、生活（如工廠機器的振動、交通車輛行駛等）產生的振動，微動探測則是利用微動信號中的瑞雷波頻散信息達到探測目的，因為利用天然源信號，因而具有無損、抗干擾的技術優勢，特別適用于城市強干擾環境［12-13］。

微動理論是美國地球物理學家Aki（1957）和Capon（1969）提出的，二者從理論上推導出利用空間自相關法（Spatial Auto-Correlation Method，SPAC），從微動信號垂直分量中提取地下介質的面波頻散曲線，進而計算地下介質的層速度，但是其算法及其復雜［14］；Okada（2003）從算法上對空間自相關法（SPAC）進行改進，在多重陣列中應用擴展的空間自相關法（ESPAC），從而提高了計算的效率，使微動探測技術在工程應用中得到實現［14］。

最近幾年來，微動探測應用的范圍越來越廣，也成為國內外物探界研究的熱門，微震探測的應用從工程地質勘察到場地穩定性評估，從礦產采空區勘查到盆地結構調查，其應用范圍越來越廣泛［12］。

微動信號具有抗干擾、易采集、無損害等優點，微動方法可以提供卓越周期、不同巖性層厚度、地層橫波速度等信息，可以在探測城市地質結構、場地效應評估上發揮更大作用，為城市地下空間精細探測提供有力手段，為“透明地殼”計劃提供新方法，有利于城市健康快速、智慧、智能發展［14］。

1.4 高密度電法

高密度電法的基本理論思路是由英國的地球物理學家首先提出，它是在直流電法勘探基礎上演變而來的一種勘探方法［8］。在20世紀80年代后期，我國的地球物理學家開始高密度電法及其應用技術研究，將實踐與理論結合，完善了該方法的理論基礎及有關應用技術問題，自主開發了相關高密度電法儀器［8，15］。近年來高密度電法在采空區探測、工程勘察、橋墩、壩基選址及地裂縫探測等眾多工程探測領域均有較好的探測效果，產生了較好的經濟社會效益［8］。

在高密度電法應用和研究的這30 余年間，通過儀器的研發制造、理論的不斷完善加上實踐經驗的積累，高密度電法的道數越來越多，針對性的處理解釋技術也日趨成熟［8，12］。但是針對高精度、高效率的三維高密度電法的電極布置、數據采集、處理解釋技術大多數還處于理論及試驗階段，距離廣泛的工程實際應用還有一段距離，也是目前國內外學者研究的方向［8，12］。

1.5 等值反磁通瞬變電磁

中南大學教授席振銖于2014年首先提出等值反磁通理論應用于淺層瞬變電磁法［16］。該方法通過消除接收線圈自身產生的感應電流，得到地下地層產生的純二次場響應信號，從而有效解決了一般瞬變電磁法淺部勘探盲區這一技術問題，使得順變電磁法在淺層城市地質勘探成為可能［16］。該抗干擾能力強且不受地形限制，適用于城市復雜環境地下探測［16］。

等值反磁通瞬變電磁，可有效利用地下介質的磁性差異進行探測，有效探測深度可達200 m［16］。探測結果分辨率高、針對淺部的信息豐富；同時具有發射和接收一體式線圈，設備重量輕、體積小，數據采集方便，但是深部探測精度不高［16］。

1.6 跨孔物探技術

在城市地質精細探測中，為充分逼近異常體并利用勘察鉆孔而發展起來的一類跨孔物探技術，目前主要有跨孔電阻率CT、跨孔地磁波、跨孔彈性波CT等。

1.6.1 跨孔雷達

跨孔雷達法是在2 個相鄰的鉆孔中分別放置發射和接收電磁波（工作頻率0.5～32 MHz）的裝置（如圖1所示），根據深度上接收的電場強的強弱，反演兩孔間地質體的介電常數，從而推斷地下地質情況的方法［17］。跨孔雷達具有靈活性高，速度快，無損的優點；缺點是橫向穿透深度探測深度有限（約10 m），受外界電磁干擾影響較大［17］。

圖1 跨孔電磁波現場布置圖［17］

1.6.2 跨孔電阻率CT

跨孔電阻率CT 法是把電極點依據不同的探測需要，放置到兩個相鄰鉆孔內進行測量的直流電阻率勘探方法（如圖2所示）［18］。且由于電極布置于鉆孔內，這樣可最大程度不受地形起伏影響，具有較高的勘探精度［18］。圖2為跨孔電阻率CT 的三種電極布設方式，一般來說四極裝置具有更好的分辨率［18］。

圖2 跨孔電阻率三種測量方式圖[18]

1.6.3 跨孔彈性波CT

跨孔彈性波CT的現場儀器布置同跨孔雷達類似，在2個相隔一定距離的平行鉆孔，1個鉆孔放置激發裝置，1 個鉆孔放置接受裝置（如圖3所示），通過探測彈性波走勢或振幅變化，反演地層內部三維速度結構或衰減特性。跨孔彈性波CT 在有巖心數據矯正的情況下，可獲得地層介質的力學參數數據，但是參數受外界環境影響較大［17］。

圖3 跨孔地震CT成像觀測系統圖［17］

2 探測方法展望

城市發展到一定階段，即轉向高質量發展的過程中，就有了對地下精細探測的需求。展望未來城市地質探測方法會向無損非網格化探測技術發展，同時由目前的定性探測向工程建設所需要的參數的定性方向發展，由目前的三維探測向四維監測方向發展。勘察、監測、施工方法效率不高、缺少數字化、自動化、智能化裝備和技術；同時地下工程的運維監測檢修數字化、智能化程度亟需提高。

2.1 地下空間探測面臨的地質問題

目前城市地下空間探測需要解決的主要地質問題有：地下地層結構、巖土特征、巖體物理性質探測；基巖風化結構探測和圍巖等級劃分；活動構造（活新層）探測；地質災害（巖溶、塌陷、地裂縫、土洞等）的精細定量探測；液化地層、濕陷性黃土地層探測；地下水賦存狀態，分布特征、導水構造探測；凍土地基結構探測；盾構開挖工程的超前預報探測；水域下方地質探測等。以上城市地下空間問題的解決需要新的物探手段和方法的融合。

2.2 地下空間探測方法面臨的問題

地下空間探測方法面臨的地質問題主要有：單一方法探測，缺少有效的多方法聯合處理；僅僅綜合解釋，缺少對其他地質信息的融合；探測過程中干擾多，噪音消除問題；缺少深層信息與淺層聯合解釋；表層激發接收條件差；采集速度慢數據密度小，處理結果失真等。

2.3 解決方案展望

數據采集以高密度、快速采集，通過數量換取質量由二維向三維方法發展，通過不規則觀測系統采集或者無人機采集，地震波及電法等多方法集成，綜合采集。發展人工智能綜合數據處理方法及系統，通過云端為客戶提供處理服務，以用戶數量的增加來降低軟件及服務器的開發運行成本；云平臺集成光纖、噪聲、特殊數據處理技術；云平臺同時可搭載測試數據、鉆探數據同相關地球物理探測數據換算技術，實現由探測的物性參數轉換為工程力學參數、含水率、污染程度等。

3 結論

城市地下空間的有效安全開發利用，使得地下空間精細探測得到了巨大的發展機遇，與此同時也向地質工作者，尤其是城市物探工作者提出了嚴峻的挑戰［8］。通過對目前城市地質精細探測所涉及的各類地球物理探測方法的適用性和優缺點的總結，展望了城市高質量發展過程中探測方法的發展方向。