物探技术在城市地下空间开发中的应用

2015-06-28刘传逢张云霞

城市勘测 2015年2期

刘传逢，张云霞

(武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

1 引言

随着城市化进程的加快，城市人口、交通、资源、环境等各方面的压力越来越大，不少城市已经陷入地面空间不足的突出问题。地下空间开发已成为建设集约型城市，实现可持续发展的必经之路。地下空间是人类潜在的和丰富的自然资源，具有不可再生的特点。因此，地下空间开发应该遵循有序开发和合理利用的原则，必须坚持综合、协调、防护、环保的原则，通过对地下空间现状综合分析，对地下各项设施进行系统整合、统筹考虑，坚持地上、地下一体化发展，使城市的地上、地下空间统一规划、同步建设、互为补充。

城市规划建设是龙头，地下空间的合理开发离不开科学的规划指导，而实现科学规划的第一步就是要获取地下空间现状信息。通过调查分析现有的地下空间状况，对地下空间资源做出评价和预测，可以作为地下空间布局和选址的依据［1］。尤其当地下工程越来越多，位置要求越来越精确，地下空间现状信息是否完备准确，对于规划、设计、施工都至关重要。相对于地面地理信息的获取方法，地下空间信息的获取较为困难，物探技术凭借高效、经济、施工灵活、信息丰富，探测效果好等优点在工程地质勘查中应用广泛［2］。本文将重点介绍浅层地震法、电磁感应法、探地雷达法和高密度电阻率法这4 种主要物探技术在获取地下空间信息中的应用。

2 地下空间

2.1 地下空间分层

城市地下空间是城市规划区内地表以下的空间。人们通常将地下空间竖向层次划分为地下30 m以上浅层，地下30 m～100 m中层和地下100 m以下深层三个层次［1］。为了能够有效利用地下空间资源，通常在不同层次设置不同用途:浅层设置共同沟敷设地下管网;中层修建地下街、停车场等;深层建地铁等。目前一些发达国家地下浅层部分已经基本利用完毕，表现为地下综合体的出现，随着深层开挖技术和装备的进一步完善，正逐步向深层开发。日本则充分发挥了地下空间作用，如修建地下高速道路、停车场、共同沟、排泄与蓄水的地下河川、地下热电站、蓄水的融雪槽和防灾设施等。目前，鉴于我国的经济技术实力和城市建设的需要，我国地下空间开发主要为地下30 m以上的浅层。

2.2 地下空间信息

地下空间信息包括实体定位信息、非定位信息以及时间尺度信息［3］。其中实体定位信息包括有地层信息(含地质构造)、地下构筑物(地下管线、地基、人防工程)信息和地下水等自然信息;非定位信息包括地层环境信息和工程地质信息两部分，地层环境信息指的是有关地层的属性、状态的描述信息如污染情况、沉降情况、历史开挖情况等，而工程地质信息指地层区域分布情况、断层走向及产状等信息;时间尺度信息是记录定位信息和非定位信息的不同时间尺度信息。

3 利用物探技术获取地下空间信息

物探技术是利用先进的物探仪器摄取被探测地质目标物理场的分布并与均质条件下的物理场比较，找出异常部分来研究与探测目标之间的对应关系，达到解决地质问题或工程问题的目的。

由于物探技术实际应用时是测量地质目标与周围介质的某一物理特征参数(如密度、电性、磁性、弹性、放射性、热物理性等)，故物探技术根据测试参数的不同大致可以分为:①重力勘探;②磁法勘探;③电法勘探;④地震勘探物探;⑤放射性勘探;⑥地热勘探等。

物探技术在地下空间开发中的应用涉及面很多，如浅层地震法探测地下地质构造，电磁感应法、探地雷达法探测地下管线，探地雷达探测人防工程、桩基，高密度电阻率法探测地面沉降和溶洞等。

3.1 地下空间地质调查

开展城市地下空间地质调查是进行地下空间开发的前提。城市地铁隧道、公路隧道、铁路隧道、地下街道、人防工程等的选线以及地下车库、地下商场、地下仓库等的选址必须充分了解待开发区内的地质状况。由于在进行城市地质调查时需要采取非开挖的勘查方式，而物探技术正是凭借其无损性被广泛用于城市地质调查的初期。

浅层地震法是一种用于浅部地质调查的应用地球物理方法，具有勘探精度高、效果好的特点，可以提供地基基底的几何形状、地层结构(包括厚度和分界面位置)、断层位置与产状等有关信息，为大型工程的选线和选址提供依据。

浅层地震法是运用了弹性波的反射和透射基本定律，即在连续介质内反射波的反射角与入射角相等和入射角正弦值之比等于介质中的波速之比［4］:

式中，θ1，2，…，n为连续介质不同介面上的入射角;V1，2，…，n为连续介质不同层的波速;P 为射线参数。

浅层反射法的分辨力、探测精度相对更好，在各种地面探测中取得了较好效果，但是成本相对较高;浅层折射法在覆盖层探测中具有技术优势，但该方法受到施工场地影响明显［5］。图1 为吴曲波等［6］在华北地区某地的地震反射深度剖面。从图1 中可以看出，浅层地震反射波法准确的定位了研究区内的断裂位置，划分了工作区内的第四系地层厚度及下伏基岩岩性分布规律，为城市工程选址打下了良好的地质基础。

图1 华北地区某地地震波反射深度剖面(引自文献［6］)

3.2 地下管线调查

地下管线是城市赖以生存和发展的物质基础，涵盖电力电缆、通讯电缆、给水管线、工业管道、燃气管线、供热管线、排水管线(雨水、污水)以及其他特殊管线，被称为城市的“生命线”。地下管线的材质各不相同，即使是同一种管线，材质也有多种，如:铸铁、钢、混凝土、塑料、铜、光纤等。目前每条高架桥、地铁、隧道、高速公路以及各类非开挖施工的第一步就是开展地下管线探测。

电磁感应法是目前探测地下管线最成熟、操作最方便的方法，其原理是利用地下管线与周围介质的导电性和导磁性差异，采用人工激发的方式使管线载有电流，在地面上接收电流产生的交变磁场，通过研究该磁场空间与时间分布规律对地下管线进行追踪、定位和定深。目前国内外的管线探测仪的直接法、夹钳法及感应法等多种手段都毫不例外地采用了这种方法，它是目前我国探测地下管线应用最为广泛的物探技术。

管线探测仪能基本准确定位地下金属管线，但对于非金属管线没有探测效果，尽管管线探测仪生产商配备探测非金属管道的示踪探头，但在一些非金属给水、高压污水和燃气管道缺乏应用条件。由于城市大部分区域缺乏开挖、打样洞探查条件，使用探地雷达进行无损探查成为唯一有效方法。实验研究表明应用探地雷达可以获取地下管线的断面尺寸、材质以及其中的充填物和其他信息［7］。

3.3 工程地质勘查

我国当今时代正处于经济快速发展时期，城市建设及重建工程日益增多，地下空间的工程地质勘查工作在城市建设中的地位日益重要。探地雷达作为一种重要的物探技术，具有快速无损、分辨率高、实时剖面记录图像清晰直观和受外界干扰影响小的特点，被广泛应用于城市工程地质勘查中，诸如探测地下管线、人防工程、地基检测等。

探地雷达是一种利用高频脉冲电磁波探测地下地质结构与特征的电磁波探测技术［8］。它采用一对天线进行工作，发射天线向地下介质发射高频、宽频带脉冲电磁波，电磁波在地下介质传播过程中遇到电磁性差异分界面时发生反射和透射;反射的电磁波传回地表被接收天线接收;通过分析反射电磁波的时域特征和振幅特征可以确定地下界面或地质体的空间位置及结构。

高层建筑工程项目在我国大中城市建设中大量增长，高层建筑具有重心高、基底压力大和基础埋置深等特点。浅埋人防工程对于高层建筑地基危害极大，探地雷达剖面不仅能精确显示人防工程的平面边界位置，而且还能反映人防工程的内部结构特点。图2 为胡朝彬等［9］探测到的双孔防空洞雷达剖面，矩形所圈定区域有两个明显的连续略微起伏的弧形同相轴，推断由双孔防空洞引起的异常，并得到双孔防空洞示意图(如图3 所示)。

图2 双孔防空洞探地雷达剖面图

图3 结构横断面示意图(引自文献［9］)

地基勘查是城市工程建设中不可缺少的一环，常规的钻探方法虽然简单直接，但是钻孔之间的地质情况只能靠推测，而且费工时且成本较高。探地雷达技术能反映和区分不同地下介质层的界面，指出其精确深度、厚度和介质性质;同时其探测结果能反映与实际连续变化的地下剖面相符的图像。大量实践表明应用探地雷达进行地基勘查可以缩短工作周期甚至不施钻孔达到满意效果［10～12］。

如果隧道或地铁线路经过地面建筑下方，则需对该建筑桩基础平面位置与埋深进行调查，由于场地限制，雷达测线不能布设在桩基础上方，这就需要借助房屋周边已布置钻孔，利用钻孔雷达对其进行定位。钻孔雷达技术是一种井中探地雷达，包括雷达机和接收机，并内置于不同的天线内。天线通过光纤与控制单元相连，光纤用来传输触发信号和采集的数据，笔记本用来存储和显示图像(如图4 所示)。

图4 钻孔雷达测量示意图(引自文献［13］)

3.4 次生地质灾害勘察

人类对于地下空间的不合理开发易导致城市次生地质灾害如地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷的形成，严重危害到人民的生命和财产安全［14］。地面沉降波及范围广，下沉速率缓慢，往往不易察觉，对建筑物、城市建设危害极大。地裂缝宽度极小，埋深变化大，延伸较长，严重破坏地面及地下各种建筑、设施。岩溶地面塌陷主要分布于岩溶强烈到中等发育的覆盖型碳酸盐岩地区，不仅破坏岩溶区工程设施，而且易造成岩溶区水土流失、导致自然环境恶化。

高密度电阻率法与常规的电阻率法相比，它在野外信息采集过程中可组合使用多种装置形式，在电性不均匀的探测中取得了良好的地质效果。一次布极可以完成纵、横向二维勘探过程，既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化，同时又能提供沿纵向岩层的电性变化情况，具备点剖面和电测深两种方法的综合勘探能力。

目前精密水准测量和合成孔径雷达差分干涉测量技术能够实现对于城市地面沉降的监测，而高密度电阻率法则能够快速查明地面沉降的诱发机制［15］。同时，利用高密度电阻率法可以探测地裂缝的位置、产状及充填状况，不仅效率高，耗资小，而且分辨率高。图5 为肖宏跃等［16］利用高密度电阻率法在西安市某地地裂缝上的勘察结果，其中视电阻率等值线清晰地反映了F1、F2 两条裂缝的位置及倾向。

图5 西安市地裂缝高密度电阻率法探测断面图(引自文献［16］)

高密度电阻率法在岩溶灾害调查中可用于划分可溶岩区、勘察基岩断裂构造、了解基岩岩溶发育情况等。图6 为王喜迁等［17］利用高密度电阻率法某高速公路的岩溶勘察的高密度电法电阻率断面图。

文中仅仅只是简要介绍了4 种主要物探技术在获取地下空间信息某一方面的应用。每种物探方法的应用都依据一定的物理前提，同时地质、地球物理条件和边界特征对于探测成果具有较大影响。鉴于单一地球物理探测方法的局限性和探测成果解释的多解性，加上目前大中型重点建设工程大多存在比较复杂的地质和工程问题，采用单一的物探方法一般难以查明或解决有关地质和工程问题。实际时应采用综合探测方法互相佐证，并紧密结合相关资料综合分析，提高探测结果精度和成果可靠性。

图6 某高速公路高密度电法电阻率断面图(引自文献［17］)

4 结语

开发地下空间，逐步形成地面空间、上部空间和地下空间协调发展的立体化新模式，是现代化城市的发展方向，是城市可持续发展的客观要求和社会发展的必然趋势。而要想实现对地下空间的合理开发，首要前提是查明地下空间现状信息。

物探技术在城市地下空间开发中的地位已越来越重要，许多探测成果可以直接为城市工程设计提供依据。但物探技术也有局限性，实际工作中要因地制宜，合理选择物探方法，使物探技术更好地，更准确地为城市规划建设服务。

地下空间开发的理想模式是充分发挥物探技术的高分辨率、高效率等优势，综合运用计算机技术、全球定位系统等测绘技术，建立基于地理信息系统技术的地下空间三维信息系统，该系统能够直观反映地下多层建(构)筑物、市政设施及地层信息，为地下空间规划设计提供重要依据。相信随着地下空间开发的不断深入，物探技术将在其规划建设中发挥越来越重要的作用。

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