综合物探方法在城市病害体探测及形成机理研究中的应用.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023综合物探方法在城市病害体探测及形成机理研究中的应用彭仲义，武斌，余舟（四川省地球物理调查研究所，成都，6 10 0 7 2）摘要：我国每年发生近千起城市道路塌事故，且逐年增加，造成极大的安全隐惠。地面塌防治工作已迫在眉睫，并具有长期性，复杂性和艰巨性。其中由于各种原因破坏地下含水层天然状态，造成路基下方水土流失,是造成道路地下空洞形成的主要因素之一。利用微动、地质雷达组合方式能有效的由浅到深探明道路地下病害体的规模，有效的排除了既有隐患。通过物探成果分析结合地质资料进行综合研究，能有效查明地下病害体形成机理，为道路塌陷隐患的提前预防和治理提供物探依据，从而保护人民的人身和财产安全。关键词：微动；雷达；空洞；地下水；形成机理中图分类号：P631DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.020微动主要通过提取天然场源中的面波频散曲线进行反演来区分不同地质体，其优点是设备轻便且抗干扰能力强，探测深度大。针对规模较大的空洞或含水疏松体具有较好的分辨率。雷达主要是通过接收反射的电磁波来区分地下不同的地质体，其优点是分辨率高，各种规模的地下病害体均能够有效的分辨。由于地质雷达探测深度有一定的局限性，因此结合微动能够有效的将地下病害体深度从浅到深，规模从大到小有效的进行判定。本次工作区位于市政道路机动车道上，区内近一年内反复出现塌陷情况，安全隐患严重。为了排除隐患，结合现场情况，采用了地质雷达和微动探测的组合物探手段开展工作。本次工作首先通过地质雷达圈定了浅部病害体，在此基础上开展微动探测工作划分了深部病害体的分布和延伸情况，结合两种方法的探测成果归纳总结了地下病害体的规模。在此基础上，结合收集的地质资料和地下构筑物以及地下含水层的分布情况，深入研究分析了病害体的形成机理，为道路安全的隐患治理和预防提供了可靠的物探依据。1地质背景探测区位于市政道路机动车道上。为了摸清道路下方0 2 0 m范围内病害情况和形成机理开展了此次检测工作。工作初期通过踏勘和资料收集，基本摸清了探测区域内地下构筑物和岩性分布情况。地下构筑发现有地铁线路和市政排水管道，其中地铁线路埋深分布在探测区域南北两侧，中线埋深大致在道路下方15 17 m范围内，市政排水管道位于探测区中部，管径8 0 0 mm，管顶埋深8.5m,现场探勘过程中在探测区西北侧还发现一处基坑施工场地（图1）。为了进一步摸清其岩性布情况，共收集区内6 个钻孔资料，钻孔深度30 m。资料显示岩性为杂填土、素填土、粉质粘土、细砂、卵石、泥岩。其中杂填土分布在2 m以浅，素填土主要在2 3.5m范围内，粉质粘土在3.5 4.5m范围内分布，细砂位于粉质粘土下方厚度在1m范围内，卵石层主要分布在5 15m范围内，1530 m主要为泥岩（图2）。2工作方法原理2.1微动微动是由体波和面波组成，其中微动能量的7 0%以上来自于面波，并且它与体波的主要区别是在不均匀的介质中传播的面波会发生频散，而体波不存在频散现象，因此面波是探测的主要对象。对于介质的弹性参数（如横波波速、层薄厚、压缩波速度、密度等），面波传播速度相对比较敏感，特别是对横波的敏感性很高，因此可以利用面波来反演横波速度。微动探测就是以此为理论基础，从微动信号中提取收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 5基金项目：城市浅层地质结构地球物理精细化探测研究（KJ-2023-046）作者简介：彭仲义（198 6 一），男，四川遂宁人，工程师，研究方向：物探方法的研究及应用104文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0104-045C0综合物探方法在城市病害体探测及形成机理研究中的应用面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获取地下介质的S波速度结构，进而探查地质构造。ZK3素镇王155粉质粘土细砂杂镇ZK1ZK2ZK4ZK5ZK6细砖490微动测线及测点地铁中线雨水管线反复塌陷处基坑作业区域地质雷达剖面图1测区地下构筑分布示意图2.2地质雷达地质雷达是通过发射天线向探测体内发射电磁波，利用接收天线接收来自目标体界面的反射波。根据电磁波传播理论，电磁波在穿过层状介质时，遇到上下不同介质层，电磁波产生折射与反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，经计算机对接收的信号及信息进行分析处理。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8.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。485180-475470微动测线及测点地铁中线雨水管线塌陷处地质雷达测线图2测区岩性分布图图3工作布置示意图3探测成果m0.0m0.00为了覆盖塌陷区域，北东方向共布设地质雷达剖面15条测线，线距0.5m，长度19m。天线频率越高，分辨率越高，探测深度越浅；天线频率越低，分辨率越低，探测深度越大，结合现场情况，此本次采用地质雷达天线为50 0 MHz。在塌陷中心位置平行雷达剖面布设了微动剖面1条，点距1m，共计测点19个（图3）。通过地质雷达反演剖面可以看出，矩形框部分同相轴与其他区域不连续存在明显差异。该区域宽度3m，顶板深度0.4m，底板深度1.2 m。根据收集的钻孔资料可知该深度范围内应为杂填土且连续性较好，不应出现不连续的反射界面，因此推测为病害体，结合现场情况判定为以往空洞经灌浆填埋后凝结的混凝土团块的反应（图4）。利用软件形成三维可视化和二维反演成果图，根据微动剖面反演成果结合收集的钻孔资料可知，杂填土、素填土速度值在150 2 0 0 m/s左右，细砂土的速度值较低在150 m/s以下。卵石层速度值在2 50 400m/s区间内。速度值40 0 450 m/s范围内主要为泥岩层的反应。结合收集的地下构筑物分布情况可知，地铁线通道速度值在450 550 m/s范围内。而深度6 8 m范围内的卵石层中发现一处明显的中低速异常1052.00.501.001.504.0图4地质雷达剖面反演成果图6.02023年8 月第43卷增刊第1期区（图5矩形框部分），速度值为18 0 2 50 m/s，该异常宽度6 m左右，位于地质雷达圈定异常下方，判定为地下病害体。四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023核波建度Vsm/s)0.54487.7850横液速度Vs(ms)54487.792022617956.74506004550500450横波玮皮Vsimis)50.54487.7122795400-10350-12300-14250-16200150-18S20+02468101214161810050图5微动剖面反演成果图以上成果可以看出，地表反复出现塌陷主要是由于深部形成空洞导致浅部填土塌形成的，该处若不及时治理还将会出现塌的风险。因此为了从根本上解决地表塌陷的问题，需要进一步研究深部空洞形成的机理。4空洞形成机理分析天然条件下，地下渗流场基本保持稳定状态，当修建地下构筑物由于深度不同将部分或完全阻断主要含水层，对地下水环境的影响强烈。地铁构筑物深度在1517 m范围内，泥岩隔水层深度在15m以下，因此该构筑物完全阻断含水层，在压力的作用下含水层将在地铁穹顶上方重新开辟渗流通道（图6）。而地铁运行后并没有出现塌陷的情况，频繁塌陷主要发生在测区北侧基坑开挖和降水之后，根据物探成果（图5）可以看出空洞形态表现为南部浅，规模小，北部深，规模大整体表现为北倾的特征，结合现场情况因此可以判定地下空洞的形成是由于地下构筑物修建使地下含水层的渗流通道局部变浅，而基坑作业时在降水过程中为地下含水层提供了更快速的通道，导致水土流失形成空洞，随着时间推移空洞上方填土塌从而在地表出现塌陷。因此在地下构筑物修建过程中，应充分考虑地下含水层的深度和分布情况，通过工程措施避免水土流失在浅部或深部形成空洞，排除对地表道路的影响。106综合物探方法在城市病害体探测及形成机理研究中的应用Om-5m-10m15m20m-25m30m5结论0m来士梦质格土石泥（天然腾水层）-25m-30m天然批态下地下水渗流示德圈图6 地下空间与地下水流场互馈响应模式Om-5m-粉胜士-10m舞石-15m地干粉菜-20m-地下肉筑物（地缆）地下水湾施就奇示意园士-5m-10m-15m-20m-泥（天然福水晨）-25m-30m98奔石泥（天然暖水夏）基筑作业改变地下水渗施通造形威空满示商园（1）通过地质雷达和微动探测圈定地下空洞一处，水平范围6 m左右，埋深6 8 m。（2）地质雷达在横向分辨率较好，能够精确的控制病害体的宽度，微动(被动源面波)探测在纵向上分辨率较好，能够很好确定病害体的深度。两种物探手段组合能够有效的病害体的空间位置，证明了该方法的组合的有效性。（3）结合物探成果可知，该区域反复出现塌陷,是由于地下构筑物部分或完全阻断含水层，造成地下含水层通道改变为诱因，致使水土流失，进而造成硬化路基下方土层软化、塌形成空洞。为类似情况道路病害体的预防治理提供了地球物理依据。参考文献：何育才：2 0 2 0.地质雷达和微动探测技术在地铁隧道区间孤石探测中的联合运用研究J.低碳世界，2 0 2 2，12(12):130-132程逢.2 0 18.被动源面波勘探方法及其在城市地区的应用D中国地质大学赵东.2 0 10.被动源面波勘探方法与应用：物探与化探，（0 6)：7 59-7 6 4.黄新摇，聂忆华，钟世雄，等.2 0 2 3.探地雷达探测道路结构隐性病害的原理及方法J.广东建材，（0 5):45-47+55.李长生，杜翠，刘杰，等：2 0 2 2.基于探地雷达的路桥过渡段病害检测识别方法J铁道建筑，（0 8):19-2 2.杨美群，邹友泉，刘静2 0 2 2.探地雷达在高速公路路面隐性病害检测的应用J公路，（0 8):8 6-91.司友强，涡润华，李梦茹：2 0 2 0.道路空洞无损探测技术发展研究J公路，（0 2):2 9-32.邱发强。2 0 2 2.道路地下空洞/脱空参数与分布特性统计分析J.福建交通科技，（12):30-34.葛志广：2 0 10.北京市道路地下空洞探地雷达探测正演模拟研究D：中国地质大学（北京）贾辉，陈昌彦孙增伟.2 0 12.城市道路地下空洞探测技术研究现状及发展J岩土工程技术，（0 6:2 7 7-2 8 1。于建，刘海，李丰果，等：2 0 2 0.地下空洞的探地雷达信号时频响应特征分析J.勘察科学技术，（0 2):2 2-2 5+42.107