城市强干扰环境地下空间探测技术与应用

2022-10-24何继善李帝铨胡艳芳王金海

工程地球物理学报 2022年5期

何继善，李帝铨，胡艳芳,2，凌帆，王金海,3

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083;2.湖南工商大学微电子与物理学院，湖南长沙 410205;3.青海省第三地质勘查院，青海西宁 810000)

1 引言

19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是开发利用地下空间的世纪[1]。随着城镇化的深入发展，我国城市地下空间建设规模和增长速度已居世界首位。目前城市地下空间的利用深度，二三线城市在20 m左右，一线城市在30 m左右，北京、上海等特大城市在50 m左右，局部特大工程利用深度在70 m左右。相比于西方发达国家，我国城市地下空间开发起步晚，开发利用水平明显不足。城市地下空间科学合理的开发与利用对城市的健康发展具有重要的现实意义，而未来城市地下空间利用将向综合化、深层化、人性化、生态化、安全化发展，从而也必将对城市地下空间透明化战略提出更高的要求[2-5]。

查明城市地下空间地质条件、地层结构以及相关的地质情况是城市地下空间透明化开发利用的关键。我国幅员辽阔，地质环境条件复杂。我国城市地下空间利用,尤其是城市轨道交通和地下综合管廊建设面临着一系列亟待解决的地质挑战。如上海、西安及天津等城市的地面沉降问题，西安、北京、大同及太原等城市的地裂缝问题，西安、乌鲁木齐、福州及深圳等城市的活动断裂问题，以及武汉、长沙、广州及桂林等城市的岩溶问题等[6-8]。同时众多关系城市安全的生命线(供水、排水、石油、天然气管道,供电、通讯线路等)埋置于地下，其中很多管道和线路超期服役，随时有渗、漏、爆炸、塌陷等风险。除此之外，复杂的城市噪声干扰、安全隐患以及施工场地的条件等因素导致城市地下空间精细结构信息难以获取，传统的钻探勘查手段可能会破坏原有地下空间结构[9]。地球物理勘探具有无损探测的特点，是开展城市地下空间精细探测的主要技术手段。地球物理探测技术在应用条件、范围以及应用效果方面存在较大的差别。传统技术在城市强干扰环境下无法实现有效的探测，无法有效地服务于城市地下空间建设。

本文在介绍微重力、地质雷达、高密度电法、广域电磁法以及天然源面波勘探在城市地下空间探测应用的基础上，分析不同地球物理探测技术在复杂地质背景下的应用效果及可行性，并提出改进建议。

2 微重力

微重力测量是现代科学发展的产物，是高精度重力仪出现的直接结果。20世纪50年代前应用较广的是石英丝重力仪，其精度只能达到毫伽级；随着现代计算机技术的发展，全自动、便携式高精度重力仪不断出现，比如加拿大Scintrex公司推出了微机控制的CG系列重力仪、美国LaCoste& Romberg公司EG型重力仪等，这类仪器操作简单、功能强大，且精度达到了微伽级[10,11]。随着仪器精度的提升以及数据处理技术的发展，微重力探测的应用领域越来越广泛。

20世纪80年代，我国的科研院所、地震、石油等部门引进了高精度重力仪，展开微重力测量的生产及科研工作，并在地基勘测、资源勘查等方面进行了应用研究。不仅在地面、竖井以及坑道进行微重力测量，还可在建筑物内部进行测量，具有数据采集快、成本低、抗干扰的优势，在城市地下空间、地下水迁移、地下考古勘查等方面得到了广泛应用。1988年中国科学院地球物理研究所采用微重力对明十三陵的定陵和茂陵开展考古工程探测，验证了实测微重力数据与已知地下陵墓的形态、位置以及埋深等参数的理论数据的对应关系，证明了微重力方法在探查地下陵墓方面的有效性；以定陵验测结果为基础，利用微重力与重力垂直梯度测量对茂陵的地下建筑位置和形态进行了预测[12]。Davis等采用微重力在美国科罗拉多州对地下水迁移规律进行了监测，通过3次微重力测量成果探测到地下水的分布及总体运动规律[13]。Hare等在阿拉斯加Prudhoe Bay开展了4次高精度重力测量,用于监测Prudhoe油藏流体变化，并以此为基础建立了油气储层质量分布模型，通过模型可直观地反映油气藏流体分布随时间的变化[14]。高好林[15]采用微重力对西安城区地裂缝进行了探测，结果表明微重力对以垂直运动为主切割地层较深的西安隐伏地裂缝具有较好的探测效果。Martínez-Moreno等学者在西班牙Candado山周围采用微重力对废弃石膏矿内采矿巷道塌陷范围及边坡变形边界进行了圈定[16-18]。实践证明：微重力探测在城市调查塌陷、地下空洞等不良地质现象方面具有较好的应用效果。

3 地质雷达

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种基于地下介质电性差异，利用发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，通过接收天线接收来自目标体界面的反射波进行无损探测的电磁勘探方法(图1)。

图1 地质雷达原理Fig.1 Geological radar principle

电磁波在介质传播过程中，其传播速度V主要是由介质的介电常数决定，当碰到与周围介电常数不同的目标体边界时，将产生反射波，并由接收天线接收，从而达到探测目的。

电磁波在介质面的折射与反射特征，由折射系数T和反射系数R表示。对于非磁性介质，电磁波垂直入射时，可由式(1)表示：

(1)

(2)

其中：ε1、ε2分别为上下介质的介电常数。

我国地质雷达研究始于1970年代中期，最初应用在煤矿巷道中，相比于钻探，地质雷达具有费用低，风险小以及效率高等优点，因此在道路病害检测、地质灾害调查、岩土工程勘察、工程质量检测、地下水污染检测以及历史遗迹探测等方面具有广泛的应用[19]。Basile等采用GPR在意大利Lecce城区对被埋的历史遗留修道院进行了精细化探测，并得到考古挖掘证实[20]；Gracia等采用GPR在西班牙瓦伦西亚大教堂开展探测，测量结果对瓦伦西亚大教堂扩张前的地下墓穴、棺椁以及古城墙等成功定位，并通过对比介质不同含水性引起的介电常数及雷达速度差异对地下相对湿度进行了估算[21]；Imposa等在意大利Etna火山南部人口密集地区采用GPR开展工作，表明GPR在揭示浅地表断裂破碎带方面具有很好的探测效果，可实现地下0～6 m范围内的精细探测[22]。王敦显等利用GPR技术对地下岩体溶洞进行了有效识别，为城市地下空间三维地质建模提供了参考[23]。GPR在地下目标体渗漏检测、土壤含水量监测等方面也取得了较好的应用效果。Liu等将GPR应用到地下管道渗漏检测中，结果表明GPR技术能有效地估计渗漏位置[24]；张文翰等基于GPR开展土壤含水量监测研究，表明GPR具备对田块尺度下不同深度土壤含水量进行快速、精准监测的能力[25]。

4 高密度电法

高密度电法(Electrical Resistivity Tomography，简称ERT)通过在地表布设高密度电极，由主机自动控制电极的切换，测量地下介质的电阻率变化，推断地下地质电阻率结构(图2)。与传统电阻率法相比，高密度电法能同时进行剖面和深度测量，具有诸多优点：1)一次性布设所有电极，降低了电极反复布设带来的干扰和误差；2)可通过主机控制实现多种不同排列方式的数据采集，工作效率高，且能获得丰富的地质信息；3)数据采集与收录自动化，采集速度快。

阵列电法勘探的最初模式来源于1970年代英国学者Johansso设计的电测深偏置装置；1980年代，日本地质计测株式会社利用集成电路与自动控制技术实现了高密度电法的野外数据采集；1980年代后期，我国原地质矿产部率先开始了高密度电法的理论与技术应用研究，随着计算机技术的发展，高密度电法得到了进一步的完善，应用场景不断增加，如重大工程场地的地质调查、考古勘查、地下采空区以及地裂缝等不良地质体探测、路基与桥墩选址等[26]。苏永军等通过高密度电法对三星堆遗址进行了考古勘探，对三星堆壕沟位置与走向进行了成功探测，为进一步的考古探测与发掘提供了依据[27]。郑志龙等利用高密度电阻率法在贵州某高速公路隧道中进行了岩溶探测，并得到了钻探验证[28]。代新雲等结合高密度电法与连续面波法对达州市城区的地下病害体进行了探测，钻探验证表明高密度电法与连续面波法相结合能对地下病害体的位置与规模进行标定，为城市地下病害体的治理提供依据[29]。Afshar等在伊朗首都德黑兰西部Hersalak区已规划建设的大面积住宅区采用高密度电法对地下水的分布情况进行了探测，确定了区域水流方向、地下水位和空洞位置，为城市规划建设阶段提供了技术支撑[30]。周瑜琨等利用高密度电法对北京城区的地层结构、地下洞室、古墓、输水管道以及隐伏断裂等进行了探测，结合钻孔、水文资料对地层结构、输水管位置以及断裂形态等进行了圈定[31]。以上案例表明，高密度电法可对地下不良地质体、地下含水层、地下天然洞穴和构筑物等进行圈定，为城市地下空间探测提供有效的方法支撑。

5 广域电磁法

广域电磁法(Wide Field Electromagnetic Method，简称WFEM)是利用2n序列伪随机信号作为激励源，通过测量电磁场的某一分量，获得地下介质的电阻率信息的一种人工源频率域电磁勘探方法。该方法采用高阶伪随机信号发送技术(图3)，可自主设定基于伪随机编码的所有频率，与变频法相比，相同采集时间内可实现单点海量数据采集，具有频率密度大、抗干扰能力强的优点。笔者所在团队针对城市强噪声干扰，开发了一套全新的信号去噪技术方案和流程，主要包括仪器相位噪声矫正、频谱形态矫正、特殊类型噪声压制、最小二乘反演去噪、Robust统计类去噪以及去噪结果融合等成套方法技术，实现了强干扰环境下的高精度探测。突破复杂应用场景限制，提出了E-EMN广域电磁法测量方式(图4)。

图3 高阶伪随机信号时间域波形及频谱Fig.3 Time domain waveform and spectrum of high-order pseudo-random signal

图4 E-EMN测量方式几何示意图Fig.4 Geometric diagram of E-EMN measurement mode

图4中r为测量点与场源的距离，φ为夹角，测量电极MN与x轴的夹角为θ，与r方向的夹角为α，则任意水平方向电场EMN的表达式可以由Er和Eφ经过坐标转换得到，理论上EMN方向可以是整个平面360°内的任意方向。

通过测量电位差来间接获得测点处的电场幅值公式如下：

(3)

WFEM在油气勘探、矿产资源勘查以及地热勘查方面得到广泛应用[32-39]。同时在生物气藏探测、工程勘察、采空区与富水区探测、隧道勘察等方面取得了很好的应用效果。周聪等将双分量广域电磁法应用在水电工程勘查，结果表明广域电磁法是水电工程探测的有效手段[40]。孙春岩等结合地球化学与广域电磁法对洞庭盆地进行了生物气藏勘探，是探测生物气快速又经济的方法技术[41]。笔者采用广域电磁法和井-地拟流场法联合的三位一体立体式探测技术对井工一矿的老空区和水害进行了探测，准确获取了采空区的位置和富水区域，确定了不同层位水的连通性，为井工一矿的安全生产提供了可靠的技术保障[42]。许广春将广域电磁法应用在复杂山区深埋隧道勘察中，通过与MT和AMT结果进行对比，得出广域电磁法浅部信息比AMT法丰富，深部信息比MT法丰富且分辨率高，可进行大深度隧道的精细化勘察[43]。李煜等将广域电磁法用于岩溶探测，并与CSAMT勘探结果进行对比，表明WFEM具有更高的分辨率[44]。

6 微动勘探

微动探测方法(Microtremor Survey Method，简称MSM)是以平稳随机过程理论为基础，从微动信号提取面波(瑞雷波)的频散曲线，通过对频散曲线的反演获取地下速度结构信息的地球物理探测方法，如图5所示。从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用方法有频率-波数法(F-K)与空间自相关方法(Spatial Autocorrelation Method，SPAC)。其中F-K法频散曲线集中在低频段，而高频时的混频现象会使其结果恶化；SPAC法频散曲线集中在高频段，而低频段经常无法准确提取，因此F-K法适合深部探测，SPAC法适合浅部探测。

图5 微动勘探方法原理示意图Fig.5 Schematic diagram of micro motion exploration method

微动探测具有探测深度大、成本低的优点，克服了传统主动源地震方法受城市应用场景的限制，能够在工程应用尺度上开展地下介质结构演变的长期监测[45]。美国Kansas州的Hutchinson市由于岩溶塌陷导致地面沉降，对城市的基础设施结构造成了重大破坏，Ivanov等采用面波勘探技术成功地对地下岩溶洞穴的分布情况进行了评估，为城市基础设施和交通规划提供了依据[46]。Craig等采用微动探测与主动源面波相结合的方法，在美国California州旧金山湾地区成功地获取了地下30 m范围内的横波波速，为该地区城市建筑物抗震结构设计提供了地球物理数据支持[47]。徐浩等在合肥市某小学采用微动方法对地面沉降原因进行了探测，并通过钻探验证，结果表明，微动勘探能有效识别地下土体不密实位置及规模，可有效排除沉降区域二次事故发生[48]。刘博等利用小台阵微动探测技术，对武汉地铁5号线的岩溶进行了勘察，实践证明，微动勘探适合在城市复杂且强电磁干扰地区进行地下岩溶探测、地层速度分层等，可为城市轨道交通建设提供技术支持[49]。

7 方法技术对比

目前在城市地下空间探测方面应用较多的方法对比如表1所示。微重力适合浅部小规模地质体的精细探测，可对地下异常体进行快速圈定；高密度电法可实现半自动化采集，效率高，能获取丰富的地质信息，但探测深度在100 m以内；常规频率域电磁法探测深度大，对低阻异常体明显，适合大深度的地下空间探测，但抗干扰能力较弱；广域电磁法抗干扰能力强，可根据不同的探测目标进行局部频率加密，实现高精度探测；浅层地震勘探分辨率高，适合深度100 m以内的地层划分、构造调查以及地灾危险性评价等；探地雷达是目前应用较广泛的城市工程勘察方法，其对浅部探测分辨率高，施工快捷，具有成熟的数据处理及解释技术，但其应用范围受深度限制，无法实现深部构造探测目标。这些方法的探测深度与精度不尽相同，建议实际应用中根据工程任务采用多种方法联合勘探，避免单一方法的多解性[50-52]。