微动技术在城市地下病害体探测中的应用

马宁 谢小国 罗兵

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院 四川 成都 611730

2.四川省地质环境调查研究中心 四川省华地建设工程有限责任公司 四川 成都 610000

我国许多老旧城市的供水管道系统存在漏水、腐蚀和老化等问题，不仅影响居民正常用水，还加剧了土壤液化、地基沉降等地下工程病害体的发生。而地铁隧道施工和运营中可能会遇到地层塌方、地面沉陷和隧道渗水等问题，给城市的交通和环境安全带来威胁。尤其是在一些地质条件复杂的城市中，地下病害体的风险更加突出。城市的排水、供电、通信和燃气管网均容易受到破裂、堵塞和腐蚀的影响，其会导致城市功能中断，极大的干扰居民生活和经济运行。为了有效应对这类问题，我国近年来加大了基础设施维护和改造的力度。包括加强巡检、加速老旧管道的更新、建立地下勘探和监测系统等，而微动勘探技术的应用或能发挥重要作用，本文将做详细讨论。

1 常规探测技术在城市地下病害体探测中的不足

1.1 电法勘探

电法勘探基于地下岩石或土壤的电导率与其物理性质（如含水量、盐度、孔隙度等）之间的关系，其通过在地表施加电流，测量地下电场的分布和变化，以获取地下介质的电性信息。由于城市环境复杂多变，存在建筑物、地下管线等大量人工干扰信号，可能会影响电法勘探的测量结果，降低其分辨率和准确性。尽管这一测量方法对地下介质的电导率变化敏感，但并不能直接定量反映地下病害体的具体特征[1]。因此还需要结合地质勘探和其他地球物理勘探方法的数据进行综合分析，才能准确评估地下病害体的位置、规模和类型。此外，测点密度的限制同样也会导致数据采集的局部空缺，从而降低勘探的精度和可靠性。

1.2 地震波勘探

地震波勘探通过激发地震源产生地震波，然后观测和分析其在地下介质中的传播和反射情况，从而推断出地下的构造、岩性、裂隙等信息。然而城市区域复杂的地质条件和人工结构等会发出多种干扰信号，影响地震波的传播路径，导致其多次反射和折射，使数据解释和处理更加困难，降低勘探的准确性[2]。大量的地震仪器布设和数据采集使得这种勘探方式具有较高的成本、较长的时间周期以及较高的交通运输要求，其也会对地面造成较大的机械损伤，甚至可能导致严重的环境破坏和污染，因此不适用于城市地下病害体的快速检测和监测。

2 微动技术概述

2.1 微动技术原理

微动是指地震台站或其他观测点记录到的微小振动信号，通常是来自于地震活动、人类活动、气象变化、地下水流动或其他自然和人为因素引起的震动。其振幅相对较小，频率范围通常在0.1Hz至10 Hz之间，同时其周期、持续时间也相较于地震信号更长[3]。通过对微动信号的观测和分析，可以了解地下介质的波速结构、地表变动情况以及地震活动等信息。其所具备的特征使得其在地下结构探测、地震监测和环境监测等领域具有重要的应用价值。微动勘探技术则能够通过激发地表或井口上的震源产生微小的振动信号，然后通过接收器（地震仪）采集地下的微动信号，并对其进行分析和解释，从而获取地下介质的信息。具体而言，借助小型振动器或震撼器等在地表或井口上布置震源，激发后产生的微小振动信号会以地震波的形式传播到地下，并在岩石和地层等介质作用下衰减、散射和反射，最终被接收器记录[4]。将采集到的微动信号通过地震仪器传输到数据采集系统中进行处理和分析，利用数学算法、信号处理和成像技术等方法将数据转化为地下介质的物理属性，如速度、密度、衰减等，实现地下结构的成像和解译。

2.2 微动技术应用方法和步骤

在微动信号的时域表示中，振幅随时间变化的特点反映了地下介质的动态响应。通过监测和分析微动信号的振幅变化，可以评估地下结构的稳定性和变形情况，并提供预警信息。同时，面波在不同频率下的传播速度会有所差异，这也与地下介质的物理性质有关。通过提取微动信号的频散曲线可以获得不同频率下面波的相速度，并进一步推断地下介质的密度、弹性模量等性质，从而帮助评估地下介质的稳定性和承载能力。

在分析微动信号时，可使用空间自相关法提取地下介质的面波频散曲线并推测其物理性质。首先，根据研究目标和地下结构的特点选择适当的观测区域。按照一定的规则（如圆形或线性排列）布置观测点，至少需要3个观测点才能进行相关分析，而更多的点位会提供更优的结果[5]。其次，观测半径决定了微动探测的深度，一般而言，保证深度为观测半径的3～5倍。中心点距离取决于所研究的地下结构尺度以及实际的观测需求，通常控制在2m左右。根据实际情况选择合适的地震仪、加速度计等设备，将其正确安装在每个观测点上。确保采集数据的时间，以充分记录地下介质自然震动的特性。对采集到的信号进行滤波和去噪处理，提高信号质量。同时校正仪器的响应特性，并将数据转换为合适的振速或位移单位。为了减少分析的计算量，还可根据需求进行数据截取，保证数据预处理的有效性。对每对观测点之间的信号进行相关分析，计算出空间自相关函数。可通过寻找峰值点的索引或拟合等方法寻找峰值并进行检验，排除由于偶然因素或噪声引起的误差。根据峰值位置和频率之间的对应关系提取频散曲线并进行分析，推断地下介质的物理性质，如波速、密度或土壤类型等。此外，还可以根据频散曲线的形状和特点对地下结构进行定量或定性分析。

3 微动技术在城市地下病害体探测中的优势

微动技术利用环境振动信号进行勘探，无需引入人工震源或进行钻孔等破坏性操作，不会对城市基础设施和周围环境造成过大的损害。其可以提供高频信号源，并通过面波频散曲线推断地下速度结构，具有速度小、分辨率高的特点。因此其能够有效地探测城市地下所存在的地裂缝、沉降、洞穴等病害体，并提供较为准确的二维剖面信息。微动技术采用低频特性良好的数据采集系统，无需携带复杂的仪器设备，可以实现较大的勘探深度，甚至延伸到地下较深的区域，最大可达3000m。其操作上更加便捷灵活，并且有利于节省勘探作业空间，适宜在城市环境中进行。此外，在相关软硬件的研发以及程序优化下，智能化微动技术可以在线实时显示勘探的面波频散曲线，改善数据采集过程中的人工控制弊端，提高勘探效率，并确保数据采集的实效性[6]。

4 微动技术在城市地下病害体探测中的应用

4.1 地裂缝

地壳运动或地质构造变动会导致地面破裂而形成地裂缝。对于城市而言，地裂缝发生时，地面的位移和变形可能导致建筑物结构破坏，甚至引发坍塌事故。此外，其还可能使得水、气体和污染物渗透至地下，进一步加剧地下水位下降、土壤沉降等问题。如果地裂缝跨越道路、桥梁和管道等交通和通信设施，会导致道路断裂、桥梁破坏和管道泄漏等问题，从而严重影响城市居民的正常出行和生活。微动技术通过对地表振动信号进行采集和分析，可以及时监测地裂缝的活动状态和变化趋势。其能够发现微弱的地表振动信号，并提供高分辨率的勘探数据，精确识别地裂缝的形态、扩展和活动程度。这种无损勘探不需要对地表或地下进行破坏性操作，减少了施工对周围环境和建筑物的影响。这些特点使得微动技术在城市环境中具备地裂缝勘探方面的优势，适用于繁忙的城区和复杂的地质条件。在其帮助下，相关人员可以及时了解城市内部地裂缝的演化过程，以及时制定相应的防治措施，保障城市的安全和稳定发展。

4.2 地面沉降

地面沉降是指由于地下水开采、地下工程施工、地质构造变动等因素导致的地面表面下降现象。当地面发生下沉时，建筑物的承重能力会受到影响，可能引起结构破坏甚至倒塌，严重威胁人们的生命财产安全。此外，其还会导致道路、桥梁、管道等基础设施的破坏，对城市的交通运输和供水排水系统带来严重影响。同样的，地面沉降也会导致地下水位下降和地下水资源的消耗，不但影响城市的供水能力，导致水资源紧缺和水质污染等问题，还会引起土壤干燥和收缩，进一步加剧地面沉降的程度。微动勘探技术可以准确监测地面的沉降速度和程度，及时发现地面沉降的趋势和异常情况，为城市规划和灾害防控提供科学依据。分析微动数据能够定量评估地面沉降对建筑物的承载力、地下管道的稳定性等影响，从而帮助制定合理的建筑设计和工程施工措施[7]。将其应用于城市地下病害体探测中可以及时了解地面沉降的情况，预测未来的变化趋势，从而能够采取相应的措施进行调控和管理。这一举措有助于减轻地面沉降对城市的危害，保障人民生命财产安全，促进城市的可持续发展。

4.3 地下洞穴

地下洞穴是指地壳中形成的空洞或岩溶系统，其在形成过程中会消耗地下的岩石或土壤，使得上方的地面失去支撑而发生塌陷，导致地表下沉，从而可能引起建筑物、道路甚至整个城区的沉降，对城市的安全稳定造成极大威胁。洞穴的形成会破坏地下管道、电缆等基础设施，导致供水、供电、通讯等服务中断或受损。若其与地下排水系统相连，还会导致洪水和污水倒灌，对城市的排水能力和环境卫生产生负面影响。此外，地下洞穴还可能引发滑坡、地震等连锁反应。当洞穴连接到山体或断层系统时，还可能触发山体滑坡或断层活动，对城市和周边地区造成进一步的破坏。通过部署微动传感器网络，可以收集洞穴周围地面的微动信号数据，包括振动、位移等参数，从而了解其变形和活动情况，预测洞穴坍塌和塌陷的潜在风险，为城市规划和灾害防控提供科学依据。在评估地下洞穴对城市的影响范围和程度方面，分析微动数据可以确定洞穴的扩展速率、发展趋势以及与地表沉降的关联性，有助于评估洞穴引发的地面变形和城市基础设施受损的风险，以及时采取相应的管理和维修措施。

4.4 地面坍塌

地面坍塌是指由于地下洞穴、地下水溶洞、岩溶崩塌等因素导致地表下陷或崩塌的现象。与上文所提及的原因类似，其也会引起建筑物和基础设施的倒塌和损坏。坍塌后形成的大面积空洞或凹陷地形不仅会破坏土地的利用功能，还可能导致土地沉降和不稳定的情况，无法进行正常的开发利用，从而造成土地资源的浪费。此外，地面坍塌还会引发灾害连锁反应。例如，地下水溶洞崩塌可能引发地下水位突然下降，导致周边地区土壤干燥和农作物减产。山体滑坡、地震等灾害也会对人民生命财产构成严重威胁。上文也有提及，微动勘探技术可以采集地面微小振动信号的数据，包括频率、振幅、相位等，通过数据分析了解地下空洞、岩溶崩塌等的形成过程和特征，预测地面坍塌的潜在风险，从而提前进行灾害预警。在其帮助下可以确定地面坍塌的范围和深度，评估其对建筑物和基础设施的影响程度，相关部门得以及时采取措施，避免人员伤亡和财产损失。

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离。地下水位过高可能导致地面积水和建筑物底部渗水，影响城市的排水能力和建筑物的稳定性，同时水分饱和的土壤会失去粘结力，导致土壤液化和地面沉降，从而对建筑物和基础设施造成损害。地下水位过低除了会导致供水困难，影响居民和工业的日常用水需求以外，还可能导致地基松散、干裂和沉降，进而影响建筑物的稳定性。此外，地下水位对湿地和河流的形成和维持至关重要，直接影响着湿地生态系统的健康和生物多样性。湖泊和河流水位下降会破坏生态系统平衡；而地下水位过高则可能引发湿地扩张、水质恶化等问题。微动勘探技术可以收集地下水位变化引起的地面微动信号数据，掌握其动态变化趋势，预测地下水位的升降情况，从而提升城市供水排水系统的规划和管理效率。对数据进行分析还能够判断地下水位变化对土壤稳定性和地基承载能力的影响程度，进而评估建筑物和基础设施受其变化影响的风险。

5 结语

城市地下环境复杂多变，地铁及相关建设的迅猛发展使得地下病害体问题日益凸显，对监测和管理带来了更多的的挑战。对此需要进一步加强科学研究和技术创新，建立健全城市地下病害体的监测、预警和管理机制，以确保城市地下设施的安全稳定运行，促进城市的可持续发展。本文所讨论的微动勘探技术能够利用微动信号的特点提供更详细的地下信息，因此将其应用于城市地下病害体探测中能够帮助我们了解地下介质的动态响应和特征。其所具备的非破坏性、高分辨率、深度延伸、便捷性和智能化等优势也使得其在城市地质工作中成为了一种有效、安全、快捷的勘探方法。可见，这一技术的应用对于城市规划、工程建设和地质灾害预防具有重要意义，具有广阔的发展前景。