城市地面塌陷防治的物探測試方法

李學軍，田學軍

(1.東正元地理信息工程有限責任公司，山東濟南250101;2.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北保定071051)

近幾年，城市路面塌陷事故頻發(fā)，2006年1月3日的北京京廣橋地面塌陷，造成了嚴重交通擁堵;2013年5月20日的深圳龍崗區(qū)道路塌陷造成了人身傷亡。地面塌陷是天然洞穴或人工洞室上覆巖土體失穩(wěn)突然陷落，導致的地面快速下沉、開裂的現(xiàn)象和過程，是主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。導致城市地面塌陷的因素很多，包括天然的地質(zhì)條件變化如巖溶發(fā)育、松軟地層、不同時代階地等，和人為活動的影響即超采地下水、地下采礦、地鐵施工、地基施工、管道漏水等。地面塌陷的發(fā)生，嚴重威脅著當?shù)氐慕?jīng)濟建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全。地面塌陷的發(fā)生、發(fā)展會引起地球物理場的變化，如地基不密實、土質(zhì)疏松、裂隙發(fā)育、洞穴或采空區(qū)的存在、管道漏水等都會導致電性、密度等物性變化，因此其為物探測試方法提供了應(yīng)用前提條件。物探測試雖然是間接手段，但具有快捷、經(jīng)濟的明顯優(yōu)勢，可在城市地面塌陷的防治工作中發(fā)揮積極作用，具有良好的應(yīng)用前景。

一、物探測試在城市地面塌陷防治中的作用與任務(wù)

1)作用:物探測試方法是間接的勘查手段，其作用在于查條件、提供信息。而在城市地面塌陷防治中，開展地球物理探查與測試，就是查明地面塌陷誘發(fā)條件，為地面塌陷的防治工作提供依據(jù)。

2)任務(wù):物探測試是以目標體與周圍介質(zhì)的物性差異為前提，如電性、磁性、密度、波速、溫度、放射性等，并根據(jù)物性差異選擇適當?shù)姆椒ㄅc技術(shù)，對可能引起地面塌陷的條件進行探查測試，在塌陷后探查塌陷范圍、形態(tài)，或在治理后探查測試反映治理效果的信息。

二、物探方法應(yīng)用的原則

1.已知指導未知的原則

物探現(xiàn)場工作布置應(yīng)遵循由已知到未知、由點到面、由簡單到復雜的原則。開展物探應(yīng)充分利用區(qū)內(nèi)已有的各種地質(zhì)資料和工程資料，合理選取各種技術(shù)參數(shù)，建立地質(zhì)—地球物理模型，指導面上物探數(shù)據(jù)的正確采集，從而保證指導數(shù)據(jù)處理、資料解釋及成果推斷。因此，布置物探工作前應(yīng)認真收集、分析和利用區(qū)內(nèi)已有的各種相關(guān)資料。

2.多信息綜合的原則

產(chǎn)生塌陷的空洞、疏松土質(zhì)、發(fā)育裂隙均與其周圍介質(zhì)之間不同程度地存在著多種物性差異。因此，可投入多種物探方法來獲取多參數(shù)異常，從多種角度、不同的物性差異產(chǎn)生的多信息數(shù)據(jù)來綜合分析和研究塌陷誘因的賦存特征及塌陷形成條件，避免單一物探異常的多解性，有助于提高物探資料解釋成果的可靠性和準確率。

3.優(yōu)化組合的原則

開展物探要在已知地段按照不同的物性差異條件和工作環(huán)境，選用不同的物探方法開展試驗，并對比分析試驗結(jié)果，合理地選定有效的物探方法進行優(yōu)化組合，即綜合物探，這是保證探查效果、提高經(jīng)濟效益的重要途徑。開展地面塌陷的物探測試工作，不但要考慮選擇方法的能力與局限，還應(yīng)正確認識城市的工作條件限制，包括場地的大小、地面條件、聲電干擾等。

三、常用的物探測試方法與應(yīng)用

1.常用物探測試方法

針對地面塌陷，經(jīng)過廣大物探技術(shù)人員的努力與實踐，取得了大量應(yīng)用資料和較好的探測效果。目前，按照塌陷防治的不同階段，一批物探測試方法發(fā)揮了積極作用，顯現(xiàn)了物探測試方法的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

1)電磁法:電磁法是以電磁場為場源的物探方法，易受電磁干擾。在城市條件下，探地雷達法成為最具應(yīng)用優(yōu)勢的物探方法之一，不僅可以快捷實施，而且可以做到無損探查，并取得較高的精度探查結(jié)果。探地雷達法是應(yīng)用脈沖電磁波來探測地下土層松散區(qū)域分布、空洞、巖溶、采空區(qū)、裂隙發(fā)育帶的存在或地下水富集區(qū)。探地雷達法可以在塌陷隱患預(yù)報、塌陷范圍和深度探查，以及治理效果評價中發(fā)揮作用。近年來儀器取得發(fā)展的瞬變電磁法，在城市中應(yīng)用探查隱伏空洞、巖溶、管道漏水浸濕帶的潛力開始顯現(xiàn)，可以在地面塌陷誘發(fā)因素探查中可發(fā)揮其獨到的作用。電磁法除在地面的應(yīng)用外，還可在塌陷治理階段進行效果評價，采用鉆孔電磁波層析成像或鉆孔雷達探查鉆孔周圍一定范圍內(nèi)或鉆孔之間治理加固的情況。高密度電阻率法作為直流電法的當今代表，以人工穩(wěn)定電流場為場源，對地下進行電阻率成像，可以對具有一定規(guī)模的地下巖溶、土洞、采空區(qū)、地下土層疏松區(qū)等可能誘發(fā)地面塌陷的目標體進行探查，但易受場地大小、雜散電流的影響。與傳統(tǒng)的電測深法、電剖面法相比，高密度電阻率法具有較好的分層和探測細小目標的能力，較適合于淺部目標的探測。

2)淺層地震法:淺層地震是研究人工激發(fā)的地震波在巖(土)層中傳播的規(guī)律來解決淺層地質(zhì)問題的方法。在地質(zhì)災(zāi)害勘查中，地震波的激發(fā)方式一般為敲擊法或落錘法，當敲擊或落錘能量弱時，在確認不引起或不誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害時可考慮采用小藥量爆炸法，目前開始采用了可控震源。用于地面塌陷的淺層地震方法包括反射波法、透射波法、瑞雷波法。其中反射波法有地震映像法、橫波反射法、陸地聲納法;而瑞雷波法分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)。淺層地震方法除了可以查找一定規(guī)模的隱伏空洞、采空、巖溶外，還可借助鉆孔進行波速測試，且可在地面利用瑞雷波法實現(xiàn)測試，所以條件具備時可考慮進行治理前的探查或治理后的效果評價。

3)其他方法:①微重力法，微重力法是微伽級重力儀出現(xiàn)后對重力勘查方法的稱謂，以重力場的變化作為基礎(chǔ)，主要用于隱伏洞穴的探查;②利用聲學原理和管道內(nèi)窺探查地下管道漏水或查視地下管道破損狀況的方法;③溫度測量法，主要用于地下隧道施工時的水體超前預(yù)報，避免引發(fā)地面塌陷。

2.物探測試方法在城市地面塌陷防治中的應(yīng)用

1)地面塌陷預(yù)防:①地下隧道施工階段，利用探地雷達法、瞬變電磁法或地震反射法、溫度測量方法，預(yù)報不良地質(zhì)體、地下水體等;②查找地下洞穴(巖溶)，圈定地下采空區(qū)，預(yù)報可能引發(fā)地面塌陷的區(qū)域;③查找地下管道漏水點，或配合地下管道的破損點檢視，防止因不能及時發(fā)現(xiàn)、及時處置而可能導致的地面塌陷等災(zāi)害。

2)地面塌陷治理前:①探查，在分析目標地質(zhì)體的地層物性特征規(guī)律基礎(chǔ)上，選用合理的物探方法技術(shù)進行掃面探測，獲得可能引起地面塌陷的物性異常，分析和推斷異常目標體的賦存形態(tài)、規(guī)模、埋藏深度等特征，或通過物探測試，圈定地面塌陷的波及范圍及塌陷深度;②評估，與區(qū)內(nèi)已有的鉆孔資料、工程資料等緊密結(jié)合，對測區(qū)內(nèi)的地面塌陷危險性作出客觀評估，為制定治理方案提供依據(jù)。

3)地面塌陷治理后:①通過物探測試，獲取注漿加固或夯實后的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，為治理效果評價提供依據(jù);②監(jiān)測，依據(jù)地面塌陷已發(fā)區(qū)的地層物性特征和發(fā)育規(guī)律，選用物探測試方法和高精度的探測儀器，對災(zāi)害目標體及其周邊地區(qū)實施探測或長期監(jiān)測，獲取可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析塌陷發(fā)生的背景和條件，綜合其他有關(guān)地質(zhì)與工程資料，對塌陷的分布現(xiàn)狀、變化、延續(xù)甚至擴大的可能性作出判斷，為制定控制或防治的措施提供依據(jù)。

據(jù)了解，北京、上海、杭州、深圳、廣州、大連、青島、西安、廈門等在建地鐵城市，在地下工程施工前或施工中開展了大量物探測試工作，并在地面或隧道中進行地下管線的探查、地下不良地質(zhì)體探查，以防揭露地下管道支撐體、泄漏點及不良地質(zhì)體，引發(fā)地面塌陷。太原市在近期組織開展的以查找地下空洞為主的主城區(qū)部分道路的地面塌陷隱患普查，物探測試是使用的主要手段。

四、結(jié)束語

1)物探測試方法以物性差異為基礎(chǔ)，具有快捷、經(jīng)濟的優(yōu)勢，可以為防治城市地面塌陷提供豐富、可靠的信息，實現(xiàn)查條件、提供信息的目的;但是，每一種物探測試方法具有相應(yīng)的應(yīng)用條件，因而單一方法的局限性和探測結(jié)果的多解性是客觀存在的，遵循已知到未知、綜合物探的原則，方能發(fā)揮物探測試方法的作用，取得較好的效果。

2)在城市地面塌陷防治的不同階段，可以通過物探測試工作獲得有益的依據(jù)信息資料，包括在地下工程施工中預(yù)防塌陷的物探，以及塌陷治理前后的探查與檢測。選擇有效、經(jīng)濟合理的物探測試方法，不僅可以節(jié)省大量用于查條件的工程，而且工作快捷、信息豐富;但需明確其只作為間接探測手段，而不能代替必要的鉆探工程。

3)物探測試要伴隨工作條件適應(yīng)性認識程度的提高，進一步開發(fā)儀器設(shè)備，完善數(shù)據(jù)采集、處理與解釋技術(shù)方法，提高物探測試資料的獲取、加工與展示的自動化和智能化;同時，開展城市地面塌陷的物探測試工作，把握其專業(yè)技術(shù)獲得信息豐富的優(yōu)勢，可與現(xiàn)代遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，推進實現(xiàn)在城市地面塌陷防治中的預(yù)警機制的形成與不斷完善，為智慧城市建設(shè)發(fā)揮更大作用。

［1］李學軍，趙竹占，周鳳林，等.CJJ 7—2007城市工程地球物理探測規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］李軍輝.物探技術(shù)在預(yù)防西山地面塌陷災(zāi)害中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，2008，3(3):30-33.

［3］郄衛(wèi)東.瞬變電磁法在探測煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2012，36(S):92-95.

［4］張成平，張頂立，王夢恕，等.城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機制及其控制［J］.巖土力學，2010，31(S1):303-309.

［5］呂惠進，劉少華，劉伯根.高密度電阻率法在地面塌陷調(diào)查中的應(yīng)用［J］.地球物理學進展，2005，20(2):381-386.