物探方法在地面塌陷隱患探查中的應(yīng)用

吳柳軍

（上海市巖土工程檢測(cè)中心 ，上海 200436）

1 引言

地面安全作為智慧城市安全運(yùn)行的重要因素，開(kāi)始被各個(gè)城市重視起來(lái)[1]。而地面塌陷的誘因有很多，往往我們只能從塌陷事故中反推誘因，再?gòu)恼T因分析塌陷機(jī)理，從而更好地進(jìn)行道路塌陷預(yù)防和治理[2]。本文依據(jù)工作任務(wù)，采用地質(zhì)雷達(dá)[3]和地震映方法進(jìn)行綜合物探檢測(cè)，通過(guò)像鉆孔攝像和管道CCTV檢測(cè)對(duì)隱患區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 物探方法及其原理

2.1 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是近年來(lái)為適應(yīng)快速、準(zhǔn)確無(wú)損探測(cè)地下障礙物或?qū)Φ叵鹿こ藤|(zhì)量評(píng)價(jià)而迅速發(fā)展的方法技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar 簡(jiǎn)稱GPR）方法是一種廣譜電磁技術(shù)，是利用特制的天線向下發(fā)射高頻電磁波，頻率一般為幾十到幾千兆赫茲。這些電磁波在地下傳播過(guò)程中，其傳播速度受地下介質(zhì)的介電常數(shù)的影響比較大，當(dāng)遇到介電常數(shù)不同的物體或地層時(shí)，比如管道，將產(chǎn)生反射繞射波并返回地面。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的介電常數(shù)為已知時(shí)，便可知道電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，根據(jù)測(cè)到的電磁波的準(zhǔn)確旅行時(shí)，求出反射體的深度。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，且介質(zhì)一般橫向和縱向的不均勻性比較大，故在地面接收到的信號(hào)也有所不同，反映在接收到的信號(hào)上，有振幅、頻率及相位等的變化。

本次探測(cè)主要采用美國(guó)GSSI公司SIR-20型探地雷達(dá)利用脈沖波來(lái)探測(cè)地質(zhì)情況。具有高保真效果，探測(cè)深度較大，全程數(shù)字控制和數(shù)字化采集等特色，能滿足較深地下異常體的要求。儀器使用美國(guó)GSSI公司SIR-20地質(zhì)雷達(dá)，工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)原理圖

2.2 地震映像

地震映象勘探是通過(guò)在地面人工激發(fā)地震波，地震波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中，遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)(即存在波阻抗差異界面)，產(chǎn)生一定能量的反射波并返回地面，經(jīng)布置在地面的檢波器接收后輸入地震儀，通過(guò)地震儀進(jìn)行信號(hào)放大和采樣后將波形數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存。通過(guò)計(jì)算機(jī)和人工對(duì)接收到的地震波的時(shí)間，相位和振幅等信息進(jìn)行處理和分析，計(jì)算地下介質(zhì)波的速度和埋深，以確定地下異常段的形態(tài)和位置。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及收集資料，被測(cè)區(qū)域有大量雜物、家具等，被測(cè)區(qū)域已經(jīng)發(fā)生地面塌陷，塌陷范圍約3.5米×3.5米，塌陷深度約3.6米。會(huì)同當(dāng)?shù)胤抗芫?、區(qū)建交委及物業(yè)公司對(duì)附近地下管線資料調(diào)查，并實(shí)地勘察。發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)域附近有管線通過(guò)，并對(duì)周?chē)暨M(jìn)行訪問(wèn)，該地區(qū)無(wú)重大車(chē)輛通過(guò)，近些年沒(méi)有房租建造情況，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，此區(qū)域滿足地質(zhì)雷達(dá)和地震映像的檢測(cè)條件。

3.2 測(cè)線布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，為了能夠有效反應(yīng)附近區(qū)域地下情況，測(cè)線布設(shè)盡量利用有限工作空間，避開(kāi)路面障礙物及周?chē)F磁性物體干擾，采用地質(zhì)雷達(dá)（主頻100MHz天線、400MHz天線）及地震儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)前進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備調(diào)試、增益調(diào)整、濾波等參數(shù)設(shè)置。現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)雷達(dá)4條測(cè)線、地震映像測(cè)線4條，驗(yàn)證孔2個(gè)，CCTV1條。

3.3 探測(cè)過(guò)程

根據(jù)掌握的現(xiàn)場(chǎng)情況，在塌陷附近展開(kāi)物探檢測(cè)，其中，同一測(cè)線采用地質(zhì)雷達(dá)和地震映像重復(fù)檢測(cè)，其中地質(zhì)雷達(dá)采用兩種頻率雷達(dá)天線：1100MHz天線和400MHz天線，采用不同雷達(dá)天線同一測(cè)線和同一測(cè)線不同物探手段進(jìn)行對(duì)比手段進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)線1與測(cè)線二平行，位于塌陷位置北側(cè)，測(cè)線3位于塌陷位置南側(cè)。測(cè)線1和測(cè)線2間距僅為0.5m，此次探測(cè)中對(duì)測(cè)線2進(jìn)行驗(yàn)證孔驗(yàn)證時(shí)，通過(guò)鉆孔攝像同時(shí)滿足了對(duì)測(cè)線1的驗(yàn)證。

4 綜合應(yīng)用效果分析

在完成了野外地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像探查工作后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后成圖，獲得了地質(zhì)雷達(dá)、地震映像成果圖，針對(duì)部分具有代表性的圖形進(jìn)行分析，總結(jié)被測(cè)區(qū)域地下隱患情況。

4.1 探測(cè)資料解釋

CX1測(cè)線探測(cè)成果：100MHz（圖2）地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線5.0m～6.5m位置，深度自1.0m～2.5m范圍內(nèi)電磁波同相軸錯(cuò)亂，與400MHz（圖3）地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線對(duì)應(yīng)位置處出現(xiàn)強(qiáng)反射波一致。地震映像（圖4）測(cè)線5.8m～7.4m范圍，深度自0.004s往下，地震波同相軸錯(cuò)位，與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果基本一致。

圖2 CX1測(cè)線100MHz地質(zhì)雷達(dá)

圖3 CX1測(cè)線400MHz地質(zhì)雷達(dá)

圖4 CX1測(cè)線地震映像

CX2測(cè)線探測(cè)成果：100MHz（圖5）地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線5.2m～6.7m位置，深度自1.0m～2.5m范圍內(nèi)電磁波同相軸錯(cuò)亂，與400MHz（圖6）地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線對(duì)應(yīng)位置處出現(xiàn)強(qiáng)反射信號(hào)一致。地震映像（圖7）測(cè)線6.4m～8.6m范圍，深度自0.004s往下，地震波同相軸錯(cuò)位，與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果基本一致。推測(cè)病害區(qū)與驗(yàn)證（圖8）比較符合。

圖5 CX2測(cè)線100MHz地質(zhì)雷達(dá)

圖6 CX2測(cè)線400MHz地質(zhì)雷達(dá)

圖7 CX2測(cè)線地震映像

圖8 驗(yàn)證孔Y1內(nèi)部攝像截圖（深0.6～0.7m脫空區(qū)）

CX3測(cè)線探測(cè)成果：100MHz地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線3.0m～5.5m位置，深度自2.1m～3.5m范圍內(nèi)電磁波同相軸錯(cuò)亂。地震映像測(cè)線4.6m～7.2m范圍，深度自0.005s往下，地震波同相軸錯(cuò)位，與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果基本一致。

4.2 路基沉降原因分析

通過(guò)探地雷達(dá)、地震映像的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及數(shù)據(jù)處理、分析，并經(jīng)鉆孔、孔內(nèi)內(nèi)窺鏡攝像驗(yàn)證，結(jié)合管道內(nèi)CCTV檢測(cè)資料，進(jìn)行綜合審慎分析、判斷，探測(cè)區(qū)域內(nèi)處異常區(qū)脫空和土質(zhì)松散。具體情況如下：

① 脫空區(qū)1，深度范圍約0.2m(即深0.6m～0.8m)，面積約4m2；

② 脫空區(qū)2，深度范圍約0.15m(即深0.6m～0.75m)，面積約5m2；

③ 疏松區(qū)1，深度2.1m，面積約1m2；

圖9 CX3測(cè)線100MHz地質(zhì)雷達(dá)

圖10 CX3測(cè)線地震映像

圖11 驗(yàn)證孔Y2內(nèi)部攝像截圖（深0.5～0.6m脫空區(qū)）

④ 疏松區(qū)2，深度1.4m，面積約1m2；

⑤ 疏松區(qū)3，深度2.4m，面積約2m2；

根據(jù)本次探測(cè)解釋成果、以往類(lèi)似案例及上海地區(qū)地面塌陷成因與機(jī)理研究以及場(chǎng)地地質(zhì)土層、房屋現(xiàn)狀等綜合分析，水土流失主要分布在排水管線上方附近，未見(jiàn)明顯的區(qū)域范圍擴(kuò)大。根據(jù)綜合分析判斷，上述5處脫空區(qū)、疏松區(qū)從規(guī)模、深度及嚴(yán)重程度來(lái)看，近期內(nèi)發(fā)生地面塌陷的可能性較小。

5 結(jié)論

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)及地震映像探測(cè)，基本探明了該被測(cè)區(qū)域地面塌陷區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的驗(yàn)證結(jié)果及誘因，針對(duì)此區(qū)域附近應(yīng)加強(qiáng)房屋、路面的沉降、變形、裂縫等的監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)異常，有必要再次開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作，并對(duì)此區(qū)域地下管線尤其是污水管排水管，定期內(nèi)部CCTV檢測(cè)，以防水土流失導(dǎo)致更嚴(yán)重的地面塌陷事故發(fā)生。