浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战

林志平， 林俊宏， 吴柏林， 刘兴昌， 洪瑛钧

1 台湾交通大学土木工程学系， 新竹 300 2 台湾交通大学防灾与水环境中心， 新竹 300 3 台湾金门大学都市计划与景观学系， 金门 892



浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战

林志平1， 林俊宏2， 吴柏林2， 刘兴昌2， 洪瑛钧3

1 台湾交通大学土木工程学系， 新竹 300 2 台湾交通大学防灾与水环境中心， 新竹 300 3 台湾金门大学都市计划与景观学系， 金门 892

地球物理勘探方法在岩土工程的应用已有很长一段时间，但其成效与工程师的期待往往有不小的落差，以致于在一般的工程应用上仍不普遍.近年来浅地表地球物理技术有显着的进展，特别是在走时速度层析成像(Traveltime Tomography)、电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography)及多道瞬态面波法(Multi-channel Analysis of Surface Wave).本文首先介绍这些方法在台湾岩土工程的应用，主要包括地层土壤液化潜能评估、坝体的安全检测、土壤与地下水污染调查及地基改良的质量管控等，应用案例以台湾常使用的地球物理勘探方法逐一介绍.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用，本文从工程师的角度提出地球物理勘探工程大量应用的挑战与瓶颈，包括如何提升探测数据的客观性、数据反演非唯一性问题、探测深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、以及地物性质与工程性质链接的不确定性问题，并进一步针对这些问题说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨，降低物探师与工程师认知上的差距，提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性.

浅地表地球物理； 岩土工程应用； 走时速度层析成像； 电阻率层析成像法； 多道瞬态面波法

1 引言

场址地下地层与地下水分布的调查为岩土工程主要的工作之一，传统的场址调查技术主要以钻探或原位贯入试验为主，钻探方法可直接取得地层样本进行地层分类及工程力学性质试验，贯入试验，如标准贯入试验(Standard Penetration Test, SPT)及圆锥贯入试验(Cone Penetration Test, CPT)，可直接量测力学反应，钻探与贯入试验的空间分辨率极高，但取样空间与量测范围小；相对地，地球物理勘探在于获得地层的物理性质(例如弹性波速、电阻率及介电度)分布，其量测范围甚广、取样空间较大，因此空间分辨率较低.因为这样的特性差异，且地球物理勘探技术具有非破坏性、经济、快速的优点，地球物理勘探被期待可扮演与传统的钻探及原位测试良好的互补角色，提供钻探前的场址初步调查，并由传统钻探与原位测试点的调查结果，延伸到线、面甚或三维立体的信息.

早期的岩土工程的地球物理勘探主要利用跨孔震测(Crosshole Seismic Testing)、下孔震测(Downhole Seismic Testing)、折射震测(Seismic Refraction)及双道面波频谱分析(Spectral Analysis of Surface Wave)等方法量测弹性波速剖面，较常的应用在于以不扰动的方式获得土壤动态性质或地层承载变形分析所需之弹性模数(Stokoe, 2004)，这些方法主要探测深度一维的速度剖面，提供工程分析需要的参数.折射震测另常用于决定岩盘深度，特别是边坡的覆土厚度分布的勘查，一般提供二至三层不同速度的二维分布.由于土壤与地下水污染及地下水资源等新兴议题的带动，岩土工程场址勘查的范围也扩展到水文地质与地下污染侦测，在这方面所应用的方法则以电法为主(Greenhouse et al., 2004)，例如直流电法(DC Resistivity Method)及电磁法(Electromagnetics)，但相较于震测方法可直接获得岩土的弹性模数，电法所获得的电阻率除了反应地层孔隙率与饱和度的差异，或地下污染物的浓度，亦受到土壤粒径分布、矿物成分、水质盐度、温度等因素所影响，因此在物探结果的工程判释仍具挑战性.物探方法在岩土工程的应用已有很长一段时间，但除了较为直接的跨孔与下孔方法，其成效与工程师的期待往往有不小的落差，以致于在一般的工程应用上仍不普遍.

由于浅地表资源与环境的重要性，以及计算机科技的快速进展，近年来浅地表地球物理技术有显着的进展，特别是在走时速度层析成像、电阻率层析成像及多道瞬态面波等方法，这些方法提供更详细的图像化结果，满足工程师透视地层内部的渴求.本文介绍浅地表地球物理勘探技术在岩土工程的较新应用，主要包括地层土壤液化潜能评估、坝体的安全检测、土壤与地下水污染勘查及地基改良的质量管控等，应用案例以台湾常使用的地球物理勘探方法逐一介绍.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用，本文从工程师的角度提出物探在工程大量应用的挑战与瓶颈，包括如何提升探测数据的客观性、数据反演非唯一性问题、勘探深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、地物性质与工程性质链接的不确定性问题、以及探测标准化与客观化的需求，并进一步针对这些问题说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨，降低物探师与工程师认知上的差距，提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性.

2 浅地表地球物理技术应用案例

2.1 走时层析成像法——混凝土坝检测

此案例利用走时层析成像法检测混凝土坝体强度分布，案例水库为一老旧混凝土拱形重力坝，近期水库安全评估之施密特锤以及钻芯之成果均显示坝体表面强度不足(台湾自来水公司，2008)，为检视整体内部混凝土强度的状态，规划弹性波层析成像探测进行检测(林志平和林俊宏，2012).依据现场条件及需求，共计规划五处弹性波层析成像勘探剖面(图1a)，测线剖面编号L1、L2及L3为沿坝轴方向之垂直剖面，L1与L2测线位于右岸侧，L3则靠近左岸侧，震源设置于下游坝面，接收器则置于上游坝面(包含水下至淤积库床处，如图1a所示).H1与H2剖面则为水平走向横切坝体且向下游方向下倾之剖面，震源设置于下游坝面，沿坝轴方向水平施测；接收器则水平设置于上游坝面水下之淤积库床上，H1剖面斜切垂直剖面L1与L2，下倾角度约23.56°；而H2则斜切L3剖面，下倾角度约为21.67°.现场数据采集使用美国Geometrics公司之Strata View全功能震测仪，接收器以及震源间距为1 m，接收器为28 Hz速度型水中受波器，采用橡胶锤作为人工敲击式震源，施作时以攀爬挂梯之方式进行敲击，现场数据以德国Geotomographie公司所发展之GeoTom CG进行数据反演分析.图1b依测线相对位置及倾斜角度呈现坝体P波速度层析成像结果，结果显示坝体整体波速约在3.0～4.2 km·s-1范围之间，根据P波速度与混凝土强度之经验关系(Whitehurst, 1951)，最低速区仍可达质量分类“可”之下界，且皆出现于下游坝面表层附近，其向坝体内部弱化多仅限于1～2 m范围，且其波速降低多呈现沿坝轴方向均匀带状分布，并无明显因破裂劣化造成之明显向内部延伸之弱带出现.由此勘探结果可合理说明水库安全评估中所获得之混凝土强度成果偏低主要原因在于其仅在坝体下游面表面施作，坝体下游表面受到长时间风化的影响较为严重，而使得勘探结果显示有混凝土强度不足这样的疑虑，但是对于整体而言，坝体混凝土强度尚可.本案例展现了现代近地表地球物理技术可以提供土木与岩土工程详细的图像化结果，满足工程师透视地层与结构内部的渴求.

图1 (a)混凝土坝体弹性波速层析成像探测现地施作规划示意图； (b)层析成像垂直剖面(L1—L3)震源及接收器布置示意图； (c)震波层析成像速度剖面栅状图Fig.1 (a) Field configuration of seismic tomography field testing at a concrete dam; (b) Cross-sectinal schematic of source and receiver layout for L1—L3; (c) Fence diagram of the seismic tomography results

图2 (a) 坝顶测线(Line A)与下游壳层测线(Line B)电阻率层析成像结果的2.5-D 呈现；(b) 邻近坝面异常渗漏位置2(EL.46 m)、4(EL.62 m)剖面之低电阻位置信息与坝体水压计(Q3、Q4)观测结果，虚线箭头表示可能渗流路径，下方虚线表示地下水位.Fig.2 (a) 2.5-D representation of ERT results by combining Line A at dam crest and Line B on downstream face; (b) The low resistivity zones from ERT and hydraulic heads from piezomters on the dam cross-section near abnormal leakage spots 2 (EL.46 m) and 4 (EL.62 m). The dashed arrow and dashed line represent the potential seepage path and phreatic line, respectively.

2.2 电阻率层析成像法——土石坝异常渗漏及土壤与地下水污染勘查

2.2.1 土石坝异常渗漏勘查案例

图2显示应用电阻率层析成像法辅助调查台湾北部某一水库土石坝渗漏机制之案例，此案例水库为了增加库容量而加高坝体，但加高蓄水超过原旧坝顶高程后，于大坝下游坡面发现数处异常渗漏(Lin et al.，2013b).由于坝的左右山脊地质条件不是十分良好，因此加高前于左右坝座分别进行隔幕灌浆，由于首先发现坝面异常渗水之位置较接近左坝座，初期工程人员推测为库水经左山脊渗漏至下游壳层；水库管理单位为解决异常渗水问题，另于左坝座再施作一道隔幕灌浆，但渗漏问题仍无法获得改善.为了勘查坝面异常渗漏之机制，分别在左坝座、坝顶和下游面通达道路三处布设三条二维ERT测线，现场施测采用电极间距5 m的Wenner排列，数据采集采用法国Syscal Pro Switch48电法仪，数据反演采用Res2Dinv软件进行分析.其中坝顶(Line A)及下游坝面(Line B)两条测线施测结果如图2a所示，可发现各有两处异常低电阻区，疑似为两处对应的异常渗流路径.由于电阻率除了受到地下含水饱和度的影响，其数值的高低亦取决于地层材料的成分与粒径分布，难以单从地电阻影像的结果即断定两处低电阻区域为异常渗流区域.因此，图2b将左侧低电阻位置信息与坝体水压计观测结果(Q3、Q4)及坝面异常渗漏目视检查结果在邻近同一断面整合，结果显示两处低电阻区域仍远高于地下水位，但两处低电阻区上下链接的疑似渗漏路径正好对应坝面主要渗漏位置4(位于图2b所在的断面).另外，两条测线右侧的另一组低电阻区正好对应坝面主要渗漏位置3，坝面异常渗漏位置1、2则分别位于坝面渗漏位置3、4下游侧的戗台，可能是渗漏位置3、4沿着坝面抛石层往下游渗流至戗台渗出.电阻率层析成像结果有助于发现异常渗漏的地下通道，但其判释更需整合电探反演结果及相关水文地质与坝体观测资料.坝面渗水及图2所揭露之可能渗漏路径高出地下水位甚多，这说明下游面的渗漏并非由水库的稳态渗流造成，根据渗漏量水堰的监测结果，大量的渗漏主要发生在降雨过后.因此推估可能的渗漏机制为坝体降雨入渗因坝体材料透水性非均质在相对较不透水层产生栖止水(低电阻显示的湿润区)，栖止水最后沿接口渗出坝面之渗漏位置3、4，或部分再往下流至坝面渗漏位置1、2.本文将于3.4节进一步探讨如何利用时序监测数据定量分析，验证调查结果及所推估之渗漏机制.

2.2.2 土壤与地下水污染调查案例

本案例是众多浅地表物探方法在环境污染调查应用例子之一，目的在展示说明如何利用物探方法协助土壤与地下水污染之场址调查及整治过程的监控.案例场址为台湾北部运作中的金属制品制造业工厂，工厂设立20年以上，从事电镀、表面涂装等具高污染风险之制程，早期使用三氯乙烯(TCE)做清洗用途，废液暂存区无完善保护措施，废水处理设施大部分皆为地下式，可能因老旧破损造成渗漏.基于DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid，重质非水相液体)与周围土壤介质间电学物理性质的差异(Reynolds, 2011)，本案例采用ERT测线布置于地下污染潜势较高区域，再于地球物理所描绘出高污染潜势区搭配监测井采样进行验证，ERT测线位置与相关污染潜势区如图3a所示.本场址表层属更新世中坜层，地层组成为红土夹砾石、砂及黏土，图3b为ERT探测结果，测线整体电阻率呈现200m以下，电性地层主要出现两个高电阻率异常，依序为测线水平距离约35 m与70 m处，其中35 m处接近TCE存放区，TCE纯相不导电，因此污染区电阻率可能为相对高电阻率，且高电阻率等值线有向下延伸区域，符合DNAPL特性，故于该处设置监测井MW9913-03采样验证.而70 m处之异常高电阻率团，由探地雷达推测为人工管线经过所造成的干扰，人工管线因为有外露部分，得知材料为PVC管，造成异常高电阻区.采样验证监测井之地下水三氯乙烯(TCE)浓度49.3 mg/L，超过台湾管制标准986倍.因应污染紧急应变措施，灌注生物复育药剂EOS，灌注最大深度约17 m，监测井MW9913-03之地下水TCE浓度自整治前之49.3 mg/L下降至0.798 mg/L，整治后再进行一次ERT施测.利用地电阻时间变化TimeLapse反演，整治后结果如图3c所示，先忽略受到人工构造干扰的区域，结果显示污染区域电阻率前后差异甚大，明显受到药剂改善所影响，未注药区之电阻率几乎没有变化，且显示电阻率改变区仅局限在井周围约2 m范围，此亦间接推测药剂影响范围.这一案例展示了物探方法在工程过程的监控价值.

图3 (a) ERT测线与相关污染制程位置图； (b) 整治前地电阻影像探测成果； (c) 整治后地电阻影像探测成果Fig.3 (a) ERT survey line in potential contamination area; (b) Inverted resistivity cross-section before treatment; (c) Inverted resistivity cross-section after treatment

2.3 瞬态面波法——土壤液化潜能与土壤改良成效评估

2.3.1 土壤液化潜能评估案例

土壤液化为受地震影响区域重要的潜在地质灾害，虽然液化潜能的评估方式甚多，最广为应用的以圆锥贯入试验(CPT)与标准贯入试验(SPT)的简易法为主(Youd et al., 2001)，但点状的贯入试验于现场无法密集执行.Andrus和Stokoe(2000)提出以剪力波速评估液化潜能的方法，在瞬态面波法的联合应用下，可使更加全面性的现地液化潜能评估得以实现(Lin et al., 2004).1999年台湾中部发生的9·21集集大地震，在台湾中西部许多地方产生土壤液化现象.为评估该区域未来可能发生液化的情形，展开了一系列的勘查与研究，在数处包含于地震期间产生液化的场址，应用瞬态面波法进行地层液化潜能的扫描.利用瞬态面波法结果进行液化潜能评估的方法详见Lin等(2004)在一研究试验站详细的评估与验证，本文举例说明典型的结果.这一案例位于台湾中部彰化地区，地震期间于地表观察到相当程度的喷砂现象，瞬态面波法以24个间距为1 m的地音计进行，采用15 m的近站支距，共移动震源10次，每回移动23 m，将各次展距获得之剪力波速剖面整合可得到拟二维的速度影像，如图4a所示.图4a显示除了近地表，深度大约在5～10 m之间的剪力波速偏低，将此剪力波速剖面影像所表示之剪力波速值套用Andrus和Stokoe(2000)所提出之剪力波速液化潜能评估法可获得二维液化潜能影像，如图4b所示.藉由控制影像色阶对照值，可将所关心的潜在地质灾害区域显现出来，使得我们得以“看见”地表下需加以进行处理的深度范围与区段.上述二维剪力波速成像技术于岩土工程问题之应用上具有极大的潜力，由于土壤液化一般发生在覆土压力较小的20 m深度以内，正好适合主动式瞬态面波法的勘探深度范围.然而不可讳言的，此一技术尚有其应用上之限制存在，目前的面波勘探技术本质上是一维的方法.每次测线假设地层为水平层状，

图4 (a) 台湾彰化地区某液化场址利用瞬态面波法所得到之二维剪力波速剖面影像；(b) 透过剪力波速液化潜能评估法得到对应之液化潜能安全系数剖面Fig.4 (a) Two-dimensional shear wave velocity profile from MASW at a liquefied site in the central Taiwan; (b) Two-dimensional profile of the factor of safety against liquefaction based on the shear-wave velocity liquefaction evaluation method

但为了获得长波长的信息以达到足够勘探深度，必许采用长展距进行施测，目前的施测方法难以兼顾勘探深度与侧向分辨率.本文将于3.3节针对这些问题进一步探讨.

2.3.2 土壤改良成效评估案例

地盘改良(Ground improvement)技术是为改善基地地层工程性质，以提高承载、减少变形或抗液化潜能，例如前一个案例(图4b)显示地层内部具有相当大范围的高液化潜能区域，若欲于该场址兴建结构物，可能需要进行地盘改良.其中，高压喷射灌浆工法(High pressure jet grouting)系地盘改良常见的工法之一，其以高泵将硬化材料灌入套管中，并经由一特制小口径的喷嘴由地下水平喷出，产生高压喷射搅拌流以切削地盘，同时旋转及提升钻杆，使硬化材料与土壤充分拌合，待其硬化后造成桩型固结物.本案例场址位于台湾宜兰县罗东运动公园附近变电所用地内(Lin et al., 2012)，根据钻探结果，本基地地层在地表下24 m内主要为粉土质砂(SM)偶夹有低塑性粉土(ML)及不良级配砾石(GP)，因抗液化强度不足需进行地盘改良，改良深度从地表下5.5 m到20 m，改良桩桩径为1.2 m，桩距为2.8 m，整体设计改良率(置换率)为14.43%.为了对改良成果进行检验，除进行钻探取样及标准贯入试验外，另配置有四条瞬态面波法测线L1—L4(图5a)，评估瞬态面波法在改良后含柱体之复杂地层中的表现，并探讨面波在土壤改良成效评估的应用，其中瞬态面波法采用5.5 kg的重锤作为震源击发讯号，并以4.5 Hz之地音器，间距2 m，共24个组成46 m长的测线进行数据采集，在地盘改良施作前后各进行一次量测，比较改良前后地层震测反应与波速的差异.

瞬态面波法的试验成果如图5b,5c,5d所示.将现场收录所得时间域数据进行频散曲线分析可得图5b之频散曲线，特别以波长对应相位速度表示，图中可观察到改良前后的频散曲线明显分为两群，改良前测线相位速度约在150～165 m·s-1之间，改良后频散曲线提升至175～200 m·s-1左右，仅依频散曲线结果，约有15%的提升率.将上述所得之频散曲线使用美国Kansas Geological Survey所发展之Surfseis 1.80软件进行反演分析，反演参数中为避免过度解读采用7层土层，得地层剪力波速剖面如图5c所示，图中显示改良后之地层剪力波速皆较改良前为高，其剪力波速在不同深度上之提升在12%～20%间(图5d)，且在深度12～20 m间剪力波速提升率约在15%.图5c中另有一项结果值得说明，在测线规划上，L1及L4测线有通过改良桩，而L2及L3并未通过，然而比较位于桩上的L1、L4测线结果与布设于桩间的L2、L3测线改良后结果却十分相近.此结果显示瞬态面波法在设计桩径1.2 m、桩距2.8 m之高压喷射灌浆改良场址无法区别出桩体与桩间的差异，图5b显示表面波施测结果之最小波长约为5 m，造成此一结果的可能原因在于瞬态面波法在垂直测线方向的影响范围同时涵盖桩体区域与桩间区域，使得量测结果为灌浆后土体的整体综合表现，而此一结果亦正是建议采用瞬态面波法进行地盘改良工法检测的特点.瞬态面波法将改良后的复杂地盘均值化，并有效反应剪力波速在改良后的提升，但由瞬态面波法所量测到的速度提升代表什么意义，其量化的判释需要进一步探讨.

3 物探工程应用的挑战与对策

前节介绍了许多成功案例与新的应用方向，对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用，但物探方法亦有诸多限制，且探测结果与工程量化判释的关系往往没有那么直接.本节尝试从工程师的角度系统性的提出物探在工程大量应用的挑战与瓶颈，包括如何提升勘探数据的客观性、数据反演非唯一性问题、勘探深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、以及地物性质与工程性质链接的不确定性问题，并进一步举例说明这些问题的相关研究进展与实务对策.

3.1 反演的非唯一性

大部分物探方法皆须经由反演求得待测物里参数或影像剖面，反演方式主要采取误差成本函数(Cost Function)的优化方法(Optimization Method).但这个过程经常不具有唯一性，工程师因为缺乏这方面的了解，而缺乏对于物探反演结果可能存在限制的认知.反演的非唯一性的原因可以归纳为三类：(1)物理现象本身的非唯一性；(2)量测信息在空间与频率内涵的局限性；(3)反演的过度收敛与局部优化问题.

物理现象本身非唯一性的典型例子是折射震测的初达波走时曲线，夹相对低速层或高速层上方的薄层的情况均无法反应在初达波的走时曲线，这是折射震测原理无法避免的限制.因此，当地质条件较为复杂时，折射震测或地表的走时层析成像方法可能不能获得正确的信息，例如利用这些方法勘查地下孔洞或弱带便不太适用.因此工程师需要认知，当在较复杂地质条件下需要速度影像时，尽可能采用跨孔走时层析成像技术，如图1之案例所示.

第二类非唯一性问题，来自于量测信息在空间或频率内涵的局限性.进行野外探测，需要利用有限的设备资源进行数据采集，因此电极与受波器不能无上限的密集；又或震源所能产生的带宽有限，例如图5b显示所产生最高频率所对应的波长不小于5 m，因此无法良好解析深度小于5 m的剪力波速.工程师解读物探结果时必须要有重要施测参数的概念，并遵循朴素原则(Law of parsimony)或奥卡姆剃刀原理(Ockham′s Razor)，亦即在建构反演模型时，采用尽可能简化的模型来达到足够拟合量测结果的反演，避免过度追求降低拟合误差而将网格数量或层数过度增加.

第三类非唯一性问题与反演的数值算法有关，逆问题通常是不适定的(ill-posed)，连续问题是必须使其离散，以取得数值解，当以有限精度或存有错误的数据求解时，反演可能无法合理承受这些数值的不稳定性，因此必须将反演规范化(Regularized)，如解的平滑性.虽然如此，若设定过度严格的收敛条件，可能会因为量测误差与过度拟合造成不合理的假现象.另一方面，误差成本函数的优化问题可能因为问题的高度非线性而在局部优化区收敛到不正确的结果，因此在反演初始值的设定必须尽量合理，例如ERT采用Pseudo-section的结果，瞬态面波法则参考频散曲线.但这不见得永远行得通，以我们在探讨ERT在堤防或大坝的检测为例，当透过数值正演模拟一均质坝体模型时(见图6a)，因为地形变化的因素，所获得之Pseudo-section具有相当程度的变异性(见图6b)，可能因为地形修正算法的关系，当我们亦如往常采用Pseudo-section作为初始模型时，反演的结果与实际情况存在不合理的差异(见图6c)，若假设初始模型为均匀的平均视电阻率，则可获得显着合理的结果(见图6d).

由此可知，物探方法反演受到含误差的有限量测资料及收敛上的限制等问题，结果并非唯一；因此对于反演结果的诠释必须抱持谨慎态度，以避免过度解读施测成果.建议可多测试不同的反演初始模型，并尽量纳入在先(Prior)的工程信息.在地球物理探测技术的研究上，朝向搭配不同物探方法进行联合反演，以及评价施测结果(Model Appraisal)的方法，有其必要性.

3.2 潜在陷阱——条件违背反演基本假设

有些物探方法本质上是一维的方法，例如瞬态面波法；有些方法则已从简易的一维方法演化为二维甚至真三维的方法，例如电阻率层析成像法.但在岩土工程的应用上，因为现地条件或费用上的限制经常不允许三维的探测，截至目前为止，线性布线方式及所对应的一维或二维反演，仍然是物探在岩土工程应用的主流.工程师甚至野外物探师通常认为透过这样的施测方式，可以获得线性测线所在位置下方的剖面，而忽略了当现地条件显着违背一维或二维基本假设时的影响.

以多道瞬态面波法为例，能够获得类似图4的结果，对岩土工程师而言是具有相当吸引力的，但此图并非二维反演的结果，而是多组一维反演结果合并呈现的结果.在面波频散曲线的反演运算中，采用的正演模式假设地层为水平层状，亦即假设在空间上并未有侧向变化存在.在展开的施测测线中，为了量测长波长的相位速度以达到较深的探测深度，需要使用较长的测线展距，在实际的近地表地层中，较长的测线展距表示其可能存在侧向变化地层的可能性增加，造成不符合水平层状地层之假设.图7为一简化的例子，用以说明瞬态面波法的侧向变化效应(二维效应)(Lin C P and Lin C H, 2007)，该简化例模拟于近地表有垂直断层的地层上进行多道瞬态面波法，侧向各点为简易的双层地层，但地层在断层处产生侧向变化.数值仿真采用四阶速度应力错置网格有限差分法(Levander, 1988)，模拟24个间距为1 m受波器组成的测线在不同水平位置的面波频散曲线，如图7b、7c、7d所示，并与断层两侧水平地层的理论频散曲线比较，可观察到测线自覆土层较厚的地层转变至覆土层较薄的表面波结果差异.当测线逐渐往右侧移动时，视频散曲线(白色圆点)亦有自左侧理论频散曲线移往右侧理论频散曲线之现象，但由于侧向的变化，使得即使测线中点在左侧地层中点或右侧地层中点时，频散曲线在低频部分区域与理论解产生差异，显示瞬态面波法试验所获得之视频散曲线其所反应的并不只是深度方向上的地层信息，对于侧向上的地层讯息亦一并反应.倘若仅以深度上的讯息看待进行分析，将会对地层参数在深度上有所错估.由本简化模拟案例之结果来看，侧向变化的影响主要反应于对侧向变化位置解析能力之降低上，但若地质条件变化更复杂，则可能产生不易解释的速度变化.

图6 电阻率层析成像法不同初始模型反演结果比较Fig.6 Comparison of inverted cross-sections from different initial models in ERT

图7 侧向变化地层对面波频散曲线影响的简例(a) 三条邻近地层侧向变化处之测线布设情形; (b)—(d) 前项测线相对应之频散曲线分析成果.Fig.7 A simplifed example illustrating the effect of lateral heterogeneity on MASW dispersion analysis(a) Three cases of geophone spread near the vertical step of the two-layer step structure; (b)—(d) f-v amplitude spectra for each case.

再以ERT探测为例，鉴于图2土石坝渗漏调查案例的应用效果良好，目前台湾积极尝试推动物探方法在大坝与堤防检测的应用，但图2属于特殊案例，一方面坝体的心层因为加高的因素往上游倾斜，使得坝顶测线与下游坝面测线主要在勘查下游壳层.当物探方法主要在检测或监测坝体或堤防心层完整性时，可能遭遇一项瓶颈，即坝顶测线的施测结果可能受到坝体材料在垂直测线方向的变异及测线外水位变动的影响.图8为采用二维地电阻影像剖面法应用于土石坝的检测，一般为大范围的检测，测线位于坝顶沿坝轴方向(见图8a).现代坝的设计通常在剖面上为材料分区类型，心层、上下游壳层及滤层材料不同，因此在垂直坝轴方向的材料剖面有明显变化，且上游侧的水位亦会造成电流与电场分布的变化.虽然测线正下方的电阻率设定为均质，当该施测结果以二维进行反演时(见图8b)，所得之反演结果(见图8c)即因不符合二维假设而引致三维映射效应之扰动.除非能够进行真3D的施测与反演，目前主流的线性测线施测方法难免会有2D或3D效应，实务上的建议是测线在规划时尽量选择可以降低2D或3D效应的位置，若无法避免，可以采用3D模拟进行施测或判释结果的评价，避免过度解读施测成果并确认成果的可信度.

3.3 勘探深度与分辨率

近年来浅地表物探方法在勘探深度与解析能力有显着的发展，但往往与工程师的认知或期待仍有所落差，有必要透过进一步研究与教育训练来降低物探方法的过度承诺或工程师的过度期待.表1整理概述影响岩土工程常用浅地表物探方法勘探深度与分辨率的因子，其中折射震测有3.1节所述的学理限制，较无法解析地质条件复杂的速度构造；电阻率层析成像法之勘探深度能力较其他地面方法为佳，但随着深度增加分辨率会明显下降，且在低电阻率区域的下方与周围解析能力较差；主动式瞬态面波法之勘探深度与测线展距成正比，主要适用在30 m以内之地层勘探，分辨率在浅层约为最小波长的一半，但也随着深度增加会明显下降，侧向分辨率主要取决于测线展距，因此展距的选择在勘探深度与侧向分辨率的双重考虑下形成拉锯.由于工程师对于分辨率的要求甚高，因此结合钻孔的施测方法有增加的趋势，藉由钻孔可以增加勘探深度与深层分辨率，但跨孔走时层析成像探测之解析能力在跨孔组成的矩形区域并非均匀的，中间区域的上方与下方的解析能力较差，因此两孔的间距不能过大.

图8 坝顶二维电阻率层析成像之三维效应示意图Fig.8 Illustration of 3D effect for 2D ERT survey on dam crest

表1 影响岩土工程常用浅地表物探方法勘探深度与分辨率的因子Table 1 Factors affecting the investigation depth and resolution for near surface geophysical methods in geotechnical engineering

除了表1所含的跨孔(震波或电磁波)走时层析成像勘探，电阻率勘探亦可采用跨孔或孔对地面的方法，但相较于走时层析成像探测方法，其施测方式(电流与电位极的排列方式)较无一致性的作法，虽然藉由钻孔可以增加勘探深度与深层分辨率，但如何施测可优化跨孔组成之矩形区域的分辨率，值得进一步探讨.

从地球科学到工程应用，物探方法往往需要缩尺与提高勘探分辨率，表1概述了目前物探方法在岩土工程实践中解析能力的特性与挑战，期望能让使用者有具体的认知，而相关的研究能针对这些挑战研究精进.下面以岩土工程极具潜力的多道瞬态面波法为例，说明提升侧向分辨率的研究努力.如前所述，缩短震测展距减少侧向变化的影响，并提高二维剪力波速剖面造影的侧向分辨率；但另一方面，缩短测线长度将有可能造成勘探深度的不足或频散曲线多重模态的解析能力.为克服此一瓶颈，Lin C P和Lin C H(2007)提出实质提高侧向分辨率的瞬态面波法，如图9所示，其概念是固定短展距地音计位置，藉由多次改变震源炸点位置，再根据震源与受波器的支距(source-to-receiver offset)将震测数据整合，仿真出如同在实际短展距的地层内所得到的长展距震测资料.此作法与Walk-away炸测并无不同，但因测线外地层可能存在侧向变化，使得整合不同炸点数据时，存在一相位角飘移的静态的误差，此一静态误差与频率有关，不同的频率下会有不同的误差值.为消除此静态误差，在将各个震源数据整合时需先进行弥合(seaming)的动作，概念上是强迫不同震源在相同的波传距离要有相同的相位角，此相位角补偿的静态修正可以优化的方式处理(Obando et al., 2010)，目前此一作法在单一模态控制的情形效果甚佳，但当有多重模态时，相位角补偿的静态修正方法需要进一步的研究.

图9 高侧向分辨率瞬态面波法概念说明Fig.9 Illustration of the high-lateral-resolution surface wave method

3.4 物理性质与工程性质或问题的链接

不同地层介质的P波速度、S波速度、介电度及导电度均有很大的重迭范围，以导电度(电阻率)为例，其影响因子包含了土壤种类、孔隙率、饱和度、水质盐度、污染种类/浓度等.物理性质与工程性质或问题确实存在某种连结，但其彼此间常无强烈的一对一关系，仅透过单一种物探方法所获得之物理性质推求或推论其相对应之工程性质有极大不确定性存在，若工程师不了解此一问题，则容易受到有限的信息蒙蔽而给出错误或偏颇的判断.针对此一问题，根据作者长期实践以来之经验提出三种可能之改善对策，分别是多物理量整合判释、时间序列量测以及具物理基础之定量分析.

多物理量整合判释：单一物理量仅反映工程性质之某一面向，透过多个不同物理量的整合可有助于将不确定性逐步降低，增加判释的准确性.以前述之土壤液化潜能评估案例来说，低剪力波速区虽可能表示其剪力强度较弱，但并不一定表示其为较松散之砂性土壤，其亦可能是软弱黏土，而黏土并没有液化之疑虑；若此时有现场钻孔数据或电阻率影像勘探数据辅助，钻孔可直接显示其土壤种类，而在电阻率影像中，黏土将呈现低电阻性质，如此透过至少两种物理量之整合判释，可使不确定性大为降低.又如堤防安全检测应用(Inazaki et al., 2011)，堤坝的安全性问题取决于其材料强度与透水性，堤防具高强度且较不透水会有最佳的安全性，若欲以地物探测方法快速定性进行安全性筛检，可透过剪力波速以及电阻率之同时勘查进行.高剪力波速表示高强度，但亦可能是较大粒径之砂石(透水性高)存在，而高电阻率可验证后者存在的可能性，因此若将同一位置之剪力波速与电阻率联合以两向垂直坐标分类，则可以较具危害之第三象限(低剪力波速，高电阻率)作为更有效的筛选目标.

时间序列量测：时间序列量测主要是在相同测线位置采用相同的量测参数，以固定的时间频率进行施测，而得到一系列具有时序性的物探剖面.此量测方式的帮助在于由于量测位置相同，因此我们可以确定量测所得物理量的变化来自于与时间相关的变动因子，而加以掌握勘探所得之工程性质变化.本文以水库渗漏调查的案例继续延伸，示范如何利用时序数据增加工程问题判释的明确性.该案例另于下游壳层面之测线定期反复施测，藉由时间序列反演分析采集电阻率影像随时间变化之情形，如图10所示.由于电阻率同时受到水文与地质因子的影响，从单次的施测结果很难断定低电阻区即为异常渗漏，下游壳层面的时间序列反演结果影像乍看之下大同小异，并无特别不同，但若进一步将各区电阻率监测数据与监测期间降雨量及库水位进行分析，发现低电阻区之电阻率长年维持稳定状态，与降雨关系不大.反而是在高电阻区之电阻率与降雨量具有高度相关性，此现象才属于壳层中的正常反应，随着降雨入渗电阻率慢慢增加，长期未降雨，入渗由下方滤层排除后电阻率渐渐升高.由此监测数据分析可归纳勘探结果之低电阻区应为坝体存在相对不透水层阻隔了降雨的向下渗流，造成壳层内存在地下栖止水长期接近饱和状态.本研究展示整合电阻率影像之时间序列结果与相关之水文监测数据，对于异常渗漏机制可获得更明确的掌握，进一步支持所推论之渗漏机制.

图10 地电阻率时序数据与库水位以及降雨量之关系：(左)低电阻区；(右)高电阻区Fig.10 Time-lapse resistivity in relation with reservoir water level and precipitation in the low resistivity (left) and high resistivity (right) zone

图11 (a) 柱状改良工法的3D建模； (b) 瞬态面波法剪力波速提升率与改良置换率之关系图Fig.11 (a) 3D modeling of ground improvement with improvement columns; (b) Relationship between the ratio of S-wave velocity increase measured by MASW and ground improvement ratio

具物理基础的定量分析：相较于电学性质，剪力波速与岩土工程性质具有较直接、较强的连结，因此在对剪力波速之结果可透过具物理基础之分析获得定量结果，如图4所示之液化潜能.但前述面波在地盘改良应用之案例，在地盘改良后之复杂复合土体，透过多道瞬态面波法获得其改良前后剪力波速有所提升，但此波速提升该如何解读并回馈提供给岩土工程师何种分析与设计之关连性？地物探测结果与工程问题需要进一步具物理基础的定量分析.为回答此一问题，我们先从一维不同介质(原介质与改良质)的串并联，利用等效模数与等效波传分别建立速度提升率与置换率关系的上界与下界，并透过参数研究发现当改良质的劲度大于原介质五倍以上，速度提升仅由置换率决定.速度提升率与置换率实际的定量关系必须透过与实际情况相吻合的二维或三维模型进行仿真，如图11所示，进行不同改良率(置换率)之面波试验三维数值模拟，从模拟结果可建立改良前后剪力波速提升率与现场改良率的定量关系，工程师可透过瞬态面波法控制与确认土壤改良置换率，再由此比例及土壤与改良体的材料性质进行工程力学分析.

3.5 探测标准化与客观化

除了反演分析之外，地球物理勘探常因不同执行者而有不同的作法与数据产生方式，造成工程师对于物探产生不具客观性的印象.不同于科学研究，工程工作常需要一定的设计规范与试验标准，以确保相关工作的一致性.美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials International, ASTM International)所颁布的试验标准为岩土工程试验主要参考的依据，对于地球物理勘探技术，目前除了跨孔与下孔震测有ASTM标准(ASTM D4428; ASTM D7400)外，其他方法并无工程试验的标准，仅有物探方法选用导引(ASTM D6429)及其中部分方法的试验导引.主要原因除了地球物理勘探技术仍在积极发展中，更因为各勘探方法之施测参数、勘探目的以及分析方法皆仍存在有优缺点之论证以及不被了解之问题，有赖投入更多之研究动力加以厘清并制定.

相较于直流电法，以走时为分析基础的震波或电磁波勘探需要人工的前处理，初达波挑选工作是最为明显的例子.目前的作法多采用以人工手动挑取初达波的走时分析方法，然而手动挑波结果往往因分析人员的经验、讯号质量优劣而有差异，当数据量多繁杂时，相当费时费工；而当波的讯杂比(signal to noise ratio)较低时，判读上的困难将使其难保正确性；此外，手动挑取之初达时间往往只在时间域上判释，并无法得知其所得速度之频率范围.为提出一较具客观性之挑波方式，并且将震波讯号之频率特性表现出来，Lin等(2013a)从讯号分析的角度，以时频分析进行有效的滤波，并在适当的频率范围内进行走时分析.此较具客观性的挑波方法流程是先行以目视初步判断初达波的概略位置，便于施加时窗函数的前处理，而后再进行时频分析(图12a)，根据时频谱能量分布选定分析频率范围，针对分析频率范围之波动(图12b)进行初达波振幅起始点挑取自动分析(图12c,12d)，最后将频率范围内所得之各频率下的波速平均，如此达到可较不受人为判断影响之半自动化的客观走时分析过程.

再以面波勘探为例，目前其现场施作就存在有双道以及多道的施作差异，亦有采用定频震动源以及冲击式震动源的差异，而根据其现场施作差异而产生有不同的频散曲线分析方法，不同频散曲线分析结果之后还存在有不同的反演策略，此些差异造成试验标准化的困难.此外，该如何考虑现场施测可能存在的近场效应、远场效应、勘探深度、侧向探测分辨率等问题，提出具通用性的现场施测参数选用、频散曲线分析方法等以利制定标准化试验流程以提升其推广性，皆有赖后续研究工作之努力.

4 结论

在岩土工程适用性较高的浅地表物探方法包括震波/电磁波走时速度层析成像探测法、电阻率层析成像法及多道瞬态面波法，本文以案例的方式介绍这些新兴方法在岩土工程应用的台湾经验，主要包括地层土壤液化潜能评估、结构物的安全检测、土石坝异常渗漏检测、土壤与地下水污染调查及地盘改良的质量管控等.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用，本文从工程师的角度归纳探讨物探在岩土工程应用面临的挑战与瓶颈，并举例说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨，降低物探师与工程师认知上的差距，提升物探在工程的应用的合理性与普及性.结论可归纳为以下五点：

(1) 物探方法的反演受到含有误差的有限量测数据及收敛上的限制等问题，常不具唯一性，对于反演结果的诠释必须抱持谨慎态度，避免过度解读施测成果.建议可多测试不同的反演初始模型，尽量纳入在先的工程信息，并朝多种物探方法联合反演发展.

(2) 目前岩土工程的应用主要仍以线性布线方式及所对应的一维或二维反演为主，必须注意当现地条件显着违背一维或二维基本假设时的可能影响.实务上应在测线规划时尽量选择可以降低2D或3D效应的位置，若无法避免，可以采用3D模拟进行施测或判释结果的评价，避免错误的解读并确认成果的可信度.

(3) 岩土工程应用对于地物探测分辨率的要求往往远高于地球科学应用，可善用钻孔辅助增加探测深度与深层分辨率，也有必要透过进一步研究与教育训练来降低地物探测方法的过度承诺或工程师的过度期待.

图12 走时分析标准化(a)时频分析; (b)选定之分析频段; (c)—(d)自动化初达波振幅起始点挑取方法演算过程.Fig.12 Illustration of an objective travel-time picking process(a) Wavelet transformation and selection of targeting frequency range; (b) Narrow-band signal within the selected frequency range; (c)—(d) Illustration of first-arrival time picking algorithm

(4) 物探的性质与工程性质或问题常没有足够强烈、明确的连结，此问题的对策包括联合应用多种方法整合分析判释，利用时序监测数据增加额外信息，以及尽可能进行具物理基础的定量分析.

(5) 工程工作常需要一定的设计规范与试验标准，以确保相关工作的一致性.为了提升物探在工程的应用的普及性，有必要发展较客观的标准化程序，并推动相关试验规范的制订.

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(本文编辑 何燕)

Applications and challenges of near surface geophysics in geotechnical engineering

Chih-Ping Lin1, Chun-Hung Lin2, Po-Lin Wu2, Hsing-Chang Liu2, Ying-Chun Hung3

1DepartmentofCivilEngineering,NationalChiaoTungUniversity,Taiwan,China2DisasterPreventionandWaterEnvironmentResearchCenter,NationalChiaoTungUniversity,Taiwan,China3DepartmentofUrbanPlanningandLandscape,NationalQuemoyUniversity,Kinmen,Taiwan,China

Geophysical exploration methods have been applied to geotechnical engineering problem since their early developments. However, the results often do not live up to engineers′ expectations. Works still need be done before we see the widespread use of geophysical methods in engineering practice. This study provides an overview of newer developments and applications of near surface geophysical techniques in geotechnical problems. More importantly, the limitations and challenges of current geophysical methods in this context are identified and possible countermeasures are proposed.Near surface geophysical techniques, such as travel time velocity tomography, electrical resistivity tomography (ERT), and multi-channel analysis of surface wave (MASW), have advanced significantly in the last couple of decades within the scientific community. The applications of these methods in Taiwan′s geotechnical problems are first examined, including assessment of liquefaction potential, evaluation of dam safety, investigation of soil and groundwater contamination, and quality control and assurance of ground improvements. The seismic travel time tomography was selected to examine the integrity of a concrete dam in terms of P-wave velocity. ERT was used to investigate abnormal seepage in earth dams and soil and groundwater contamination. Shear-wave velocity profiles non-destructively obtained by MASW are relevant to many traditional geotechnical problems, in which the quantitative assessment of liquefaction potential and ground improvements were particularly presented. The effectiveness of these applications is discussed from an engineer′s perspective, and the associated challenges and practical countermeasures are systematically addressed.The velocity imaging of the concrete dam was quite successful and promising, allowing the engineer non-destructively “CT scan” the strength of the dam body. ERT works in a similar fashion for water-related problems. However, the results on abnormal dam seepage and groundwater contamination were less conclusive since the resistivity depends both on pore-water properties and geological factors. So it′s important to integrate geological background and results from geotechnical investigation or monitoring. In addition, time-lapse geophysical measurements together with geotechnical monitoring reveal additional information and are valuable for geotechnical process control, such as groundwater remediation and ground improvement. Shear-wave velocity, which has a stronger link to geotechnical stiffness property, is now readily measured by MASW. Its applications on assessment of liquefaction potential and ground improvements were quite effective, at least qualitatively. However, MASW is basically a 1-D method and does not provide S-wave velocity image with high spatial resolution. Many limitations and potential pitfalls of geophysical methods exist but are not apparent to end users. They are systematically discussed from an engineer′s perspective. The non-uniqueness nature and weak link to engineering parameters are common problems of geophysical methods. Reasonable inversion results should be obtained with sufficient a priori information and proper initial models. More conclusive or quantitative engineering interpretation can be achieved by data fusion, time-lapse measurements, and physics-based quantitative modeling. Different assumptions and limitations of investigation depth and spatial resolution are inherent in each geophysical method. They are summarized and made clear to avoid overpromise and over-interpret geophysical results. Some examples of practical countermeasures are illustrated. Finally, researches towards the standardization of geophysical methods are suggested to ultimately promote their widespread use in engineering community.Although successful case studies and innovative applications have strengthened the contribution of new geophysical developments to geotechnical problems, several challenges are identified for more common practice of geophysical surveys in engineering applications from an engineer′s perspective. These include the lack of standard in data reduction, non-uniqueness of data inversion, limitations of exploration depth and resolution, field conditions violating model assumptions, and the weak link between geophysical parameters and engineering parameters. Relevant researches and practical countermeasures regarding these issues are partially discussed herein. More rational and widespread use of geophysics may be realized through the understanding of the limitations and potential pitfalls of geophysical techniques and researches to overcome them.

Near surface geophysics; Geotechnical applications; Traveltime tomography; Electrical resistivity tomography; Multi-channel analysis of surface wave

林志平，男，教授，1972年生，1999年美国普渡大学博士毕业，主要从事电磁波感测技术、地球物理在岩土工程应用、反演与可靠度分析等方面的研究与教学工作.E-mail: cplin@mail.nctu.edu.tw

10.6038/cjg20150806.

10.6038/cjg20150806

P631

2014-12-22，2015-07-15收修定稿

林志平， 林俊宏， 吴柏林等. 2015. 浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战.地球物理学报，58(8):2664-2680,

Lin C P, Lin C H, Wu P L, et al. 2015. Applications and challenges of near surface geophysics in geotechnical engineering.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2664-2680,doi:10.6038/cjg20150806.