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，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突然陷落，導致的地面快速下沉、開裂的現象和過程，是主要的地質災害之一。導致城市地面塌陷的因素很多，包括天然的地質條件變化如巖溶發育、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。地面塌陷的發生，嚴重威脅著當地的經濟建設和人民生命財產安全。地面塌陷的發生、發展會引起地球物理場的變化，如地基不密實、土質疏松、裂隙發育、洞穴或采空區的存在、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用前提條件。物探測試雖然是間接手段，但具有快捷、經濟的明顯優勢，可在城市地面塌陷的防治工作中發揮積極作用，具有良好的應用前景。

一、物探測試在城市地面塌陷防治中的作用與任務

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條件，為地面塌陷的防治工作提供依據。

2)任務:物探測試是以目標體與周圍介質的物性差異為前提，如電性、磁性、密度、波速、溫度、放射性等，并根據物性差異選擇適當的方法與技術，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，或在治理后探查測試反映治理效果的信息。

二、物探方法應用的原則

1.已知指導未知的原則

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

2.多信息綜合的原則

產生塌陷的空洞、疏松土質、發育裂隙均與其周圍介質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異常，從多種角度、不同的物性差異產生的多信息數據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境，選用不同的物探方法開展試驗，并對比分析試驗結果，合理地選定有效的物探方法進行優化組合，即綜合物探，這是保證探查效果、提高經濟效益的重要途徑。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用

1.常用物探測試方法

針對地面塌陷，經過廣大物探技術人員的努力與實踐，取得了大量應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揮了積極作用，顯現了物探測試方法的技術優勢和應用前景。

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用優勢的物探方法之一，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果。探地雷達法是應用脈沖電磁波來探測地下土層松散區域分布、空洞、巖溶、采空區、裂隙發育帶的存在或地下水富集區。探地雷達法可以在塌陷隱患預報、塌陷范圍和深度探查，以及治理效果評價中發揮作用。近年來儀器取得發展的瞬變電磁法，在城市中應用探查隱伏空洞、巖溶、管道漏水浸濕帶的潛力開始顯現，可以在地面塌陷誘發因素探查中可發揮其獨到的作用。電磁法除在地面的應用外，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，可以對具有一定規模的地下巖溶、土洞、采空區、地下土層疏松區等可能誘發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的地震波在巖(土)層中傳播的規律來解決淺層地質問題的方法。在地質災害勘查中，地震波的激發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地質災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;而瑞雷波法分為穩態和瞬態。淺層地震方法除了可以查找一定規模的隱伏空洞、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后對重力勘查方法的稱謂，以重力場的變化作為基礎，主要用于隱伏洞穴的探查;②利用聲學原理和管道內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報，避免引發地面塌陷。

2.物探測試方法在城市地面塌陷防治中的應用

1)地面塌陷預防: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，預報不良地質體、地下水體等;②查找地下洞穴(巖溶)，圈定地下采空區，預報可能引發地面塌陷的區域;③查找地下管道漏水點，或配合地下管道的破損點檢視，防止因不能及時發現、及時處置而可能導致的地面塌陷等災害。

2)地面塌陷治理前:①探查，在分析目標地質體的地層物性特征規律基礎上，選用合理的物探方法技術進行掃面探測，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、規模、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，與區內已有的鉆孔資料、工程資料等緊密結合，對測區內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。

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數據信息，為治理效果評價提供依據;②監測，依據地面塌陷已發區的地層物性特征和發育規律，選用物探測試方法和高精度的探測儀器，對災害目標體及其周邊地區實施探測或長期監測，獲取可靠的監測數據，分析塌陷發生的背景和條件，綜合其他有關地質與工程資料，對塌陷的分布現狀、變化、延續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。

據了解，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、地下不良地質體探查，以防揭露地下管道支撐體、泄漏點及不良地質體，引發地面塌陷。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、結束語

1)物探測試方法以物性差異為基礎，具有快捷、經濟的優勢，可以為防治城市地面塌陷提供豐富、可靠的信息，實現查條件、提供信息的目的;但是，每一種物探測試方法具有相應的應用條件，因而單一方法的局限性和探測結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信息資料，包括在地下工程施工中預防塌陷的物探，以及塌陷治理前后的探查與檢測。選擇有效、經濟合理的物探測試方法，不僅可以節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性認識程度的提高，進一步開發儀器設備，完善數據采集、處理與解釋技術方法，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，把握其專業技術獲得信息豐富的優勢，可與現代遙感技術、地理信息系統技術結合，推進實現在城市地面塌陷防治中的預警機制的形成與不斷完善，為智慧城市建設發揮更大作用。

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