微動技術在城市地下病害體探測中的應用

馬寧 謝小國 羅兵

1.西南交通大學地球科學與環境工程學院 四川 成都 611730

2.四川省地質環境調查研究中心 四川省華地建設工程有限責任公司 四川 成都 610000

我國許多老舊城市的供水管道系統存在漏水、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生。而地鐵隧道施工和運營中可能會遇到地層塌方、地面沉陷和隧道滲水等問題，給城市的交通和環境安全帶來威脅。尤其是在一些地質條件復雜的城市中，地下病害體的風險更加突出。城市的排水、供電、通信和燃氣管網均容易受到破裂、堵塞和腐蝕的影響，其會導致城市功能中斷，極大的干擾居民生活和經濟運行。為了有效應對這類問題，我國近年來加大了基礎設施維護和改造的力度。包括加強巡檢、加速老舊管道的更新、建立地下勘探和監測系統等，而微動勘探技術的應用或能發揮重要作用，本文將做詳細討論。

1 常規探測技術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率與其物理性質（如含水量、鹽度、孔隙度等）之間的關系，其通過在地表施加電流，測量地下電場的分布和變化，以獲取地下介質的電性信息。由于城市環境復雜多變，存在建筑物、地下管線等大量人工干擾信號，可能會影響電法勘探的測量結果，降低其分辨率和準確性。盡管這一測量方法對地下介質的電導率變化敏感，但并不能直接定量反映地下病害體的具體特征[1]。因此還需要結合地質勘探和其他地球物理勘探方法的數據進行綜合分析，才能準確評估地下病害體的位置、規模和類型。此外，測點密度的限制同樣也會導致數據采集的局部空缺，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地震源產生地震波，然后觀測和分析其在地下介質中的傳播和反射情況，從而推斷出地下的構造、巖性、裂隙等信息。然而城市區域復雜的地質條件和人工結構等會發出多種干擾信號，影響地震波的傳播路徑，導致其多次反射和折射，使數據解釋和處理更加困難，降低勘探的準確性[2]。大量的地震儀器布設和數據采集使得這種勘探方式具有較高的成本、較長的時間周期以及較高的交通運輸要求，其也會對地面造成較大的機械損傷，甚至可能導致嚴重的環境破壞和污染，因此不適用于城市地下病害體的快速檢測和監測。

2 微動技術概述

2.1 微動技術原理

微動是指地震臺站或其他觀測點記錄到的微小振動信號，通常是來自于地震活動、人類活動、氣象變化、地下水流動或其他自然和人為因素引起的震動。其振幅相對較小，頻率范圍通常在0.1Hz至10 Hz之間，同時其周期、持續時間也相較于地震信號更長[3]。通過對微動信號的觀測和分析，可以了解地下介質的波速結構、地表變動情況以及地震活動等信息。其所具備的特征使得其在地下結構探測、地震監測和環境監測等領域具有重要的應用價值。微動勘探技術則能夠通過激發地表或井口上的震源產生微小的振動信號，然后通過接收器（地震儀）采集地下的微動信號，并對其進行分析和解釋，從而獲取地下介質的信息。具體而言，借助小型振動器或震撼器等在地表或井口上布置震源，激發后產生的微小振動信號會以地震波的形式傳播到地下，并在巖石和地層等介質作用下衰減、散射和反射，最終被接收器記錄[4]。將采集到的微動信號通過地震儀器傳輸到數據采集系統中進行處理和分析，利用數學算法、信號處理和成像技術等方法將數據轉化為地下介質的物理屬性，如速度、密度、衰減等，實現地下結構的成像和解譯。

2.2 微動技術應用方法和步驟

在微動信號的時域表示中，振幅隨時間變化的特點反映了地下介質的動態響應。通過監測和分析微動信號的振幅變化，可以評估地下結構的穩定性和變形情況，并提供預警信息。同時，面波在不同頻率下的傳播速度會有所差異，這也與地下介質的物理性質有關。通過提取微動信號的頻散曲線可以獲得不同頻率下面波的相速度，并進一步推斷地下介質的密度、彈性模量等性質，從而幫助評估地下介質的穩定性和承載能力。

在分析微動信號時，可使用空間自相關法提取地下介質的面波頻散曲線并推測其物理性質。首先，根據研究目標和地下結構的特點選擇適當的觀測區域。按照一定的規則（如圓形或線性排列）布置觀測點，至少需要3個觀測點才能進行相關分析，而更多的點位會提供更優的結果[5]。其次，觀測半徑決定了微動探測的深度，一般而言，保證深度為觀測半徑的3～5倍。中心點距離取決于所研究的地下結構尺度以及實際的觀測需求，通常控制在2m左右。根據實際情況選擇合適的地震儀、加速度計等設備，將其正確安裝在每個觀測點上。確保采集數據的時間，以充分記錄地下介質自然震動的特性。對采集到的信號進行濾波和去噪處理，提高信號質量。同時校正儀器的響應特性，并將數據轉換為合適的振速或位移單位。為了減少分析的計算量，還可根據需求進行數據截取，保證數據預處理的有效性。對每對觀測點之間的信號進行相關分析，計算出空間自相關函數。可通過尋找峰值點的索引或擬合等方法尋找峰值并進行檢驗，排除由于偶然因素或噪聲引起的誤差。根據峰值位置和頻率之間的對應關系提取頻散曲線并進行分析，推斷地下介質的物理性質，如波速、密度或土壤類型等。此外，還可以根據頻散曲線的形狀和特點對地下結構進行定量或定性分析。

3 微動技術在城市地下病害體探測中的優勢

微動技術利用環境振動信號進行勘探，無需引入人工震源或進行鉆孔等破壞性操作，不會對城市基礎設施和周圍環境造成過大的損害。其可以提供高頻信號源，并通過面波頻散曲線推斷地下速度結構，具有速度小、分辨率高的特點。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，并提供較為準確的二維剖面信息。微動技術采用低頻特性良好的數據采集系統，無需攜帶復雜的儀器設備，可以實現較大的勘探深度，甚至延伸到地下較深的區域，最大可達3000m。其操作上更加便捷靈活，并且有利于節省勘探作業空間，適宜在城市環境中進行。此外，在相關軟硬件的研發以及程序優化下，智能化微動技術可以在線實時顯示勘探的面波頻散曲線，改善數據采集過程中的人工控制弊端，提高勘探效率，并確保數據采集的實效性[6]。

4 微動技術在城市地下病害體探測中的應用

4.1 地裂縫

地殼運動或地質構造變動會導致地面破裂而形成地裂縫。對于城市而言，地裂縫發生時，地面的位移和變形可能導致建筑物結構破壞，甚至引發坍塌事故。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施，會導致道路斷裂、橋梁破壞和管道泄漏等問題，從而嚴重影響城市居民的正常出行和生活。微動技術通過對地表振動信號進行采集和分析，可以及時監測地裂縫的活動狀態和變化趨勢。其能夠發現微弱的地表振動信號，并提供高分辨率的勘探數據，精確識別地裂縫的形態、擴展和活動程度。這種無損勘探不需要對地表或地下進行破壞性操作，減少了施工對周圍環境和建筑物的影響。這些特點使得微動技術在城市環境中具備地裂縫勘探方面的優勢，適用于繁忙的城區和復雜的地質條件。在其幫助下，相關人員可以及時了解城市內部地裂縫的演化過程，以及時制定相應的防治措施，保障城市的安全和穩定發展。

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、地質構造變動等因素導致的地面表面下降現象。當地面發生下沉時，建筑物的承重能力會受到影響，可能引起結構破壞甚至倒塌，嚴重威脅人們的生命財產安全。此外，其還會導致道路、橋梁、管道等基礎設施的破壞，對城市的交通運輸和供水排水系統帶來嚴重影響。同樣的，地面沉降也會導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，導致水資源緊缺和水質污染等問題，還會引起土壤干燥和收縮，進一步加劇地面沉降的程度。微動勘探技術可以準確監測地面的沉降速度和程度，及時發現地面沉降的趨勢和異常情況，為城市規劃和災害防控提供科學依據。分析微動數據能夠定量評估地面沉降對建筑物的承載力、地下管道的穩定性等影響，從而幫助制定合理的建筑設計和工程施工措施[7]。將其應用于城市地下病害體探測中可以及時了解地面沉降的情況，預測未來的變化趨勢，從而能夠采取相應的措施進行調控和管理。這一舉措有助于減輕地面沉降對城市的危害，保障人民生命財產安全，促進城市的可持續發展。

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，其在形成過程中會消耗地下的巖石或土壤，使得上方的地面失去支撐而發生塌陷，導致地表下沉，從而可能引起建筑物、道路甚至整個城區的沉降，對城市的安全穩定造成極大威脅。洞穴的形成會破壞地下管道、電纜等基礎設施，導致供水、供電、通訊等服務中斷或受損。若其與地下排水系統相連，還會導致洪水和污水倒灌，對城市的排水能力和環境衛生產生負面影響。此外，地下洞穴還可能引發滑坡、地震等連鎖反應。當洞穴連接到山體或斷層系統時，還可能觸發山體滑坡或斷層活動，對城市和周邊地區造成進一步的破壞。通過部署微動傳感器網絡，可以收集洞穴周圍地面的微動信號數據，包括振動、位移等參數，從而了解其變形和活動情況，預測洞穴坍塌和塌陷的潛在風險，為城市規劃和災害防控提供科學依據。在評估地下洞穴對城市的影響范圍和程度方面，分析微動數據可以確定洞穴的擴展速率、發展趨勢以及與地表沉降的關聯性，有助于評估洞穴引發的地面變形和城市基礎設施受損的風險，以及時采取相應的管理和維修措施。

4.4 地面坍塌

地面坍塌是指由于地下洞穴、地下水溶洞、巖溶崩塌等因素導致地表下陷或崩塌的現象。與上文所提及的原因類似，其也會引起建筑物和基礎設施的倒塌和損壞。坍塌后形成的大面積空洞或凹陷地形不僅會破壞土地的利用功能，還可能導致土地沉降和不穩定的情況，無法進行正常的開發利用，從而造成土地資源的浪費。此外，地面坍塌還會引發災害連鎖反應。例如，地下水溶洞崩塌可能引發地下水位突然下降，導致周邊地區土壤干燥和農作物減產。山體滑坡、地震等災害也會對人民生命財產構成嚴重威脅。上文也有提及，微動勘探技術可以采集地面微小振動信號的數據，包括頻率、振幅、相位等，通過數據分析了解地下空洞、巖溶崩塌等的形成過程和特征，預測地面坍塌的潛在風險，從而提前進行災害預警。在其幫助下可以確定地面坍塌的范圍和深度，評估其對建筑物和基礎設施的影響程度，相關部門得以及時采取措施，避免人員傷亡和財產損失。

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定性，同時水分飽和的土壤會失去粘結力，導致土壤液化和地面沉降，從而對建筑物和基礎設施造成損害。地下水位過低除了會導致供水困難，影響居民和工業的日常用水需求以外，還可能導致地基松散、干裂和沉降，進而影響建筑物的穩定性。此外，地下水位對濕地和河流的形成和維持至關重要，直接影響著濕地生態系統的健康和生物多樣性。湖泊和河流水位下降會破壞生態系統平衡；而地下水位過高則可能引發濕地擴張、水質惡化等問題。微動勘探技術可以收集地下水位變化引起的地面微動信號數據，掌握其動態變化趨勢，預測地下水位的升降情況，從而提升城市供水排水系統的規劃和管理效率。對數據進行分析還能夠判斷地下水位變化對土壤穩定性和地基承載能力的影響程度，進而評估建筑物和基礎設施受其變化影響的風險。

5 結語

城市地下環境復雜多變，地鐵及相關建設的迅猛發展使得地下病害體問題日益凸顯，對監測和管理帶來了更多的的挑戰。對此需要進一步加強科學研究和技術創新，建立健全城市地下病害體的監測、預警和管理機制，以確保城市地下設施的安全穩定運行，促進城市的可持續發展。本文所討論的微動勘探技術能夠利用微動信號的特點提供更詳細的地下信息，因此將其應用于城市地下病害體探測中能夠幫助我們了解地下介質的動態響應和特征。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勢也使得其在城市地質工作中成為了一種有效、安全、快捷的勘探方法。可見，這一技術的應用對于城市規劃、工程建設和地質災害預防具有重要意義，具有廣闊的發展前景。