李永強，陳子申，劉 康

（中煤（西安）地下空間科技發(fā)展有限公司，陜西西安 710100）

0 引言

近年來國內(nèi)發(fā)生過多起道路坍塌事件，嚴重影響城市道路正常運轉(zhuǎn)，危及人民生命財產(chǎn)安全，并給城市形象造成諸多負面影響，因此事故多發(fā)區(qū)域的道路病害評估預(yù)警工作迫在眉睫。而物探方法常用于道路病害勘察，本文使用探地雷達法結(jié)合地震映像法、瞬態(tài)面波法對上海市閔行區(qū)某道路進行地下病害體探測，通過地下病害體與圍巖的彈性及電性差異，識別出了空洞的位置，說明在該地區(qū)使用探地雷達法結(jié)合地震映像法、瞬態(tài)面波法來尋找地下病害體是有效的。

1 研究區(qū)概況

上海市閔行區(qū)位于長江三角洲堆積平原地區(qū)，地層主要由厚達二三百米的第四系和下伏的新近系疏松沉積層組成。第四紀，閔行區(qū)經(jīng)歷了五次不同范圍的海侵和海退現(xiàn)象，海退后留下了多條古河道，形成了七期由粉土、砂、礫石等組成的古河道遺跡。然而，第六期和第七期的古河道沉積物主要為灰色砂質(zhì)粉土和粉砂，易發(fā)生地下病害和塌陷。另外，淺層地下病害主要與排水管道老化破損有關(guān)，常見于道路，并部分影響廣場和居民區(qū)。沿海、沿江和河道等堤岸地基易受沖刷和水土流失影響，也容易引發(fā)地下病害。在地鐵盾構(gòu)、頂管和深基坑等地下工程施工過程中，也會對深層地下產(chǎn)生一定的影響和地下病害風險。

2 地球物理探測方法介紹

2.1 探地雷達

探地雷達是向地下介質(zhì)發(fā)射高頻脈沖電磁波，通過電磁波在地下傳播的規(guī)律對地下結(jié)構(gòu)隊及介質(zhì)特征等進行研究的探測方法。只有對電磁波在復(fù)雜的介質(zhì)中傳播規(guī)律進行了深入研究，才能得到地下有效信息。圖1 所示為探地雷達探測基本原理，圖中發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，接收天線在地表接收從地下傳來的回波。因為，在介質(zhì)中傳播的電磁波，當遇到介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)或被測目標體，其一部分電磁波會反射回地面，并被探地雷達所接收，并加以分析、研究。由于介質(zhì)形態(tài)不同，電磁波傳播的路徑、波形等就不同，所以根據(jù)電磁波傳播的時間、波形、振幅等資料，就可以分析出地下目標體或者界面的空間位置。

圖1 探地雷達工作原理圖（反射法）Figure 1 Schematic diagram of ground penetrating radar working principle（reflection method）

2.2 地震映像

地震映像又稱地震多波勘探，這是由于它所利用的有效波不是確定的一種，而是根據(jù)具體情況選取一種或多種。地震映像法最大的特點是它每道地震記錄都采取同樣的偏移距，而采集之前如何選擇最佳偏移距也是地震映像法的重中之重。在工作中，每激發(fā)和接收一道地震波，激發(fā)點和檢波器都沿測線方向移動相同的距離，進行下一道的激發(fā)和接收，以此類推直到完成整個測線的數(shù)據(jù)采集工作，最終得到一條地震剖面圖。地震映像法以錘擊或放炮的方式產(chǎn)生震源，由于其測點密度較大（點距?。砸步懈呙芏鹊卣鸱?。

2.3 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波是利用人工震源瞬間激發(fā)產(chǎn)生多種頻率的瑞雷地震波，在地面按一定偏移距和道間距布設(shè)檢波器，采集記錄瞬態(tài)震源激發(fā)產(chǎn)生的面波，求取地下一定深度范圍內(nèi)介質(zhì)的面波速度，并結(jié)合其頻散曲線特征，分析地下病害體性質(zhì)、位置及埋深等的一種淺層地震勘探方法。

3 工程案例

3.1 現(xiàn)場布置

根據(jù)現(xiàn)場條件，為了能夠有效反應(yīng)該道路區(qū)域地下情況，探測時盡量利用有限工作空間，避開路面障礙物及周圍鐵磁性物體干擾。首先采用200MHz 8通道陣列式三維探地雷達進行探測，然后對異常點采用160MHz 二維雷達復(fù)測，并輔以地震映像法、瞬態(tài)面波法驗證，其中地震映像法采集采用100Hz檢波器，道間距0.2m，偏移距采用2m，采樣間隔均為0.05ms；瞬態(tài)面波法數(shù)據(jù)采集采用100Hz高頻的檢波器接收面波信號。野外數(shù)據(jù)采集過程中未采用濾波方式，以保證各種波型的接收，便于后期資料處理。

3.2 探測結(jié)果

基于上述的技術(shù)原理及工程布設(shè)，對該道路進行了相應(yīng)的探測。圖2 為三維雷達探測、二維探地雷達復(fù)測的成果剖面圖，紅框標志處反射波組形態(tài)表現(xiàn)為傾斜板狀，同相軸向左下方連續(xù)延伸，界面上形成強振幅反射能量，反射多次波特征明顯。初步推測為空洞，深度約0.6m，平面尺寸約為4.40m×1.80m。

圖2 二維雷達、三維雷達探測成果Figure 2 Two-dimensional radar and three-dimensional radar detection results

為了驗證探地雷達的探測成果，采用地震映像法、瞬態(tài)面波法對該處異常作了輔助驗證。圖3 為地震映像法探測結(jié)果，路面結(jié)構(gòu)層的同相軸連續(xù)，但紅框標志處附近的同向軸由連續(xù)分為上、下兩段，上端為上凸弧形、下端下凹近似水平，故推測該處為空洞，其平面尺寸約為4.2m×0.70m，洞頂深約0.36m、底深約0.90m，空洞中心點位于測線7.5m。圖4 為該處異常的瞬態(tài)面波探測成果圖，測線9.0～13.0m 位置下方為前期探地雷達探測及地震映像顯示存在地下空洞，空洞頂埋深0.38m，空腔高度約0.6m，空洞下方伴隨有土層疏松，空洞頂部面積約5.1m2。在測線10.0～12.0m 空洞位置下方存在明顯的低速異常，面波速度要顯著低于其它位置。

圖3 地震映像驗證探測成果Figure 3 Seismic imaging verification of detection results

圖4 瞬態(tài)面波驗證探測成果Figure 4 Transient surface wave verification of detection results

后經(jīng)鉆探驗證，該處異常確為空洞，深度0.57m，平面尺寸為4.40m×1.80m，平面發(fā)育規(guī)模約7.92m2。

4 風險評價

在對上述道路地下病害體探測完成后，應(yīng)根據(jù)病害體規(guī)模、深度、危害程度、病害周邊環(huán)境，從地下病害體引發(fā)事故的可能性和后果嚴重程度兩方面綜合評估其風險水平，并進行風險分級。在風險評估過程中，針對所評估地下病害體，應(yīng)綜合考慮病害體周邊地質(zhì)條件、設(shè)施、人員、事故等因素，最終得出病害體的風險等級。

4.1 評級方式

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《城市地下病害調(diào)查技術(shù)標準》，地下病害體風險評價宜按式（1）計算：

式中：R為地下病害體風險評價分值；RA為病害體形狀指標；RB為病害體埋深指標；RC為巖土體條件指標；RD為鄰近地下設(shè)施指標；RE為所在位置指標；K為地下病害體類型系數(shù)，當病害體投影面積≥2m2，取1，當病害體投影面積＜2m2，病害體類型為脫空或空洞取1.0，富（集）水體取0.8，疏松體取0.7。

當風險值R在0.8～1 時為1 級風險，表示發(fā)生可能性及其危險極大。在0.4～0.8 時為2 級風險，表示發(fā)生可能性及其危險較大；在0.2～0.4 時為3 級風險，表示發(fā)生可能性及其危險較??；在0～0.2 時為4級風險，表示發(fā)生可能性及其危險極小。

4.2 評價結(jié)果

通過對上述案例中地下病害體探查與現(xiàn)場風險因素調(diào)查，引起該路段空洞的原因主要是道路路基施工、開挖鋪設(shè)地下管道施工等產(chǎn)生的回填土不密實，路基土在自重、固結(jié)沉降等作用下逐漸密實，地基土與路面剛性板之間形成空洞。該空洞體面積約為7.92m2，深度0.6m，周邊存在DN600 排水管道，排水管道內(nèi)部存在少量結(jié)構(gòu)病害。根據(jù)相應(yīng)的取值計算得出地下病害體風險評價值R為0.955，得出該病害體風險發(fā)生可能性等級為1 級，建議立即開挖回填處理，處理后進行處理效果檢測，待處理效果檢測結(jié)果良好時，再投入使用。

5 結(jié)論與展望

通過本文的研究，得出以下幾點結(jié)論：

1）采用綜合物探技術(shù)手段，結(jié)合局部驗證的方法能較好地探明地下塌陷隱患區(qū)域的分布情況，可以預(yù)防更大規(guī)模塌陷事故的發(fā)生。

2）本文僅列舉了地質(zhì)雷達、地震映像及瞬態(tài)面波三種相對探測效率較高的物探方法，在遇到對上述三種方法干擾較大的場地時，應(yīng)結(jié)合采用其他本文未涉及的物探方法，如高密度電法、微動探測等方法。

3）對道路內(nèi)探測已知的空洞進行風險評價，得出該病害體風險發(fā)生可能性等級為1 級，建議立即開挖回填處理，以免塌陷引起人員傷亡等事故。

綜合物探技術(shù)在城市道路病害探測中的應(yīng)用還有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥砜梢赃M一步優(yōu)化物探技術(shù)的組合方式，提高探測精度和效率。同時，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)，可以更好地解讀和利用物探數(shù)據(jù)，為城市道路的維護和管理提供更科學、智能的決策支持。