物探技術在城市地下空間開發中的應用

劉傳逢，張云霞

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著城市化進程的加快，城市人口、交通、資源、環境等各方面的壓力越來越大，不少城市已經陷入地面空間不足的突出問題。地下空間開發已成為建設集約型城市，實現可持續發展的必經之路。地下空間是人類潛在的和豐富的自然資源，具有不可再生的特點。因此，地下空間開發應該遵循有序開發和合理利用的原則，必須堅持綜合、協調、防護、環保的原則，通過對地下空間現狀綜合分析，對地下各項設施進行系統整合、統籌考慮，堅持地上、地下一體化發展，使城市的地上、地下空間統一規劃、同步建設、互為補充。

城市規劃建設是龍頭，地下空間的合理開發離不開科學的規劃指導，而實現科學規劃的第一步就是要獲取地下空間現狀信息。通過調查分析現有的地下空間狀況，對地下空間資源做出評價和預測，可以作為地下空間布局和選址的依據［1］。尤其當地下工程越來越多，位置要求越來越精確，地下空間現狀信息是否完備準確，對于規劃、設計、施工都至關重要。相對于地面地理信息的獲取方法，地下空間信息的獲取較為困難，物探技術憑借高效、經濟、施工靈活、信息豐富，探測效果好等優點在工程地質勘查中應用廣泛［2］。本文將重點介紹淺層地震法、電磁感應法、探地雷達法和高密度電阻率法這4 種主要物探技術在獲取地下空間信息中的應用。

2 地下空間

2.1 地下空間分層

城市地下空間是城市規劃區內地表以下的空間。人們通常將地下空間豎向層次劃分為地下30 m以上淺層，地下30 m～100 m中層和地下100 m以下深層三個層次［1］。為了能夠有效利用地下空間資源，通常在不同層次設置不同用途:淺層設置共同溝敷設地下管網;中層修建地下街、停車場等;深層建地鐵等。目前一些發達國家地下淺層部分已經基本利用完畢，表現為地下綜合體的出現，隨著深層開挖技術和裝備的進一步完善，正逐步向深層開發。日本則充分發揮了地下空間作用，如修建地下高速道路、停車場、共同溝、排泄與蓄水的地下河川、地下熱電站、蓄水的融雪槽和防災設施等。目前，鑒于我國的經濟技術實力和城市建設的需要，我國地下空間開發主要為地下30 m以上的淺層。

2.2 地下空間信息

地下空間信息包括實體定位信息、非定位信息以及時間尺度信息［3］。其中實體定位信息包括有地層信息(含地質構造)、地下構筑物(地下管線、地基、人防工程)信息和地下水等自然信息;非定位信息包括地層環境信息和工程地質信息兩部分，地層環境信息指的是有關地層的屬性、狀態的描述信息如污染情況、沉降情況、歷史開挖情況等，而工程地質信息指地層區域分布情況、斷層走向及產狀等信息;時間尺度信息是記錄定位信息和非定位信息的不同時間尺度信息。

3 利用物探技術獲取地下空間信息

物探技術是利用先進的物探儀器攝取被探測地質目標物理場的分布并與均質條件下的物理場比較，找出異常部分來研究與探測目標之間的對應關系，達到解決地質問題或工程問題的目的。

由于物探技術實際應用時是測量地質目標與周圍介質的某一物理特征參數(如密度、電性、磁性、彈性、放射性、熱物理性等)，故物探技術根據測試參數的不同大致可以分為:①重力勘探;②磁法勘探;③電法勘探;④地震勘探物探;⑤放射性勘探;⑥地熱勘探等。

物探技術在地下空間開發中的應用涉及面很多，如淺層地震法探測地下地質構造，電磁感應法、探地雷達法探測地下管線，探地雷達探測人防工程、樁基，高密度電阻率法探測地面沉降和溶洞等。

3.1 地下空間地質調查

開展城市地下空間地質調查是進行地下空間開發的前提。城市地鐵隧道、公路隧道、鐵路隧道、地下街道、人防工程等的選線以及地下車庫、地下商場、地下倉庫等的選址必須充分了解待開發區內的地質狀況。由于在進行城市地質調查時需要采取非開挖的勘查方式，而物探技術正是憑借其無損性被廣泛用于城市地質調查的初期。

淺層地震法是一種用于淺部地質調查的應用地球物理方法，具有勘探精度高、效果好的特點，可以提供地基基底的幾何形狀、地層結構(包括厚度和分界面位置)、斷層位置與產狀等有關信息，為大型工程的選線和選址提供依據。

淺層地震法是運用了彈性波的反射和透射基本定律，即在連續介質內反射波的反射角與入射角相等和入射角正弦值之比等于介質中的波速之比［4］:

式中，θ1，2，…，n為連續介質不同介面上的入射角;V1，2，…，n為連續介質不同層的波速;P 為射線參數。

淺層反射法的分辨力、探測精度相對更好，在各種地面探測中取得了較好效果，但是成本相對較高;淺層折射法在覆蓋層探測中具有技術優勢，但該方法受到施工場地影響明顯［5］。圖1 為吳曲波等［6］在華北地區某地的地震反射深度剖面。從圖1 中可以看出，淺層地震反射波法準確的定位了研究區內的斷裂位置，劃分了工作區內的第四系地層厚度及下伏基巖巖性分布規律，為城市工程選址打下了良好的地質基礎。

圖1 華北地區某地地震波反射深度剖面(引自文獻［6］)

3.2 地下管線調查

地下管線是城市賴以生存和發展的物質基礎，涵蓋電力電纜、通訊電纜、給水管線、工業管道、燃氣管線、供熱管線、排水管線(雨水、污水)以及其他特殊管線，被稱為城市的“生命線”。地下管線的材質各不相同，即使是同一種管線，材質也有多種，如:鑄鐵、鋼、混凝土、塑料、銅、光纖等。目前每條高架橋、地鐵、隧道、高速公路以及各類非開挖施工的第一步就是開展地下管線探測。

電磁感應法是目前探測地下管線最成熟、操作最方便的方法，其原理是利用地下管線與周圍介質的導電性和導磁性差異，采用人工激發的方式使管線載有電流，在地面上接收電流產生的交變磁場，通過研究該磁場空間與時間分布規律對地下管線進行追蹤、定位和定深。目前國內外的管線探測儀的直接法、夾鉗法及感應法等多種手段都毫不例外地采用了這種方法，它是目前我國探測地下管線應用最為廣泛的物探技術。

管線探測儀能基本準確定位地下金屬管線，但對于非金屬管線沒有探測效果，盡管管線探測儀生產商配備探測非金屬管道的示蹤探頭，但在一些非金屬給水、高壓污水和燃氣管道缺乏應用條件。由于城市大部分區域缺乏開挖、打樣洞探查條件，使用探地雷達進行無損探查成為唯一有效方法。實驗研究表明應用探地雷達可以獲取地下管線的斷面尺寸、材質以及其中的充填物和其他信息［7］。

3.3 工程地質勘查

我國當今時代正處于經濟快速發展時期，城市建設及重建工程日益增多，地下空間的工程地質勘查工作在城市建設中的地位日益重要。探地雷達作為一種重要的物探技術，具有快速無損、分辨率高、實時剖面記錄圖像清晰直觀和受外界干擾影響小的特點，被廣泛應用于城市工程地質勘查中，諸如探測地下管線、人防工程、地基檢測等。

探地雷達是一種利用高頻脈沖電磁波探測地下地質結構與特征的電磁波探測技術［8］。它采用一對天線進行工作，發射天線向地下介質發射高頻、寬頻帶脈沖電磁波，電磁波在地下介質傳播過程中遇到電磁性差異分界面時發生反射和透射;反射的電磁波傳回地表被接收天線接收;通過分析反射電磁波的時域特征和振幅特征可以確定地下界面或地質體的空間位置及結構。

高層建筑工程項目在我國大中城市建設中大量增長，高層建筑具有重心高、基底壓力大和基礎埋置深等特點。淺埋人防工程對于高層建筑地基危害極大，探地雷達剖面不僅能精確顯示人防工程的平面邊界位置，而且還能反映人防工程的內部結構特點。圖2 為胡朝彬等［9］探測到的雙孔防空洞雷達剖面，矩形所圈定區域有兩個明顯的連續略微起伏的弧形同相軸，推斷由雙孔防空洞引起的異常，并得到雙孔防空洞示意圖(如圖3 所示)。

圖2 雙孔防空洞探地雷達剖面圖

圖3 結構橫斷面示意圖(引自文獻［9］)

地基勘查是城市工程建設中不可缺少的一環，常規的鉆探方法雖然簡單直接，但是鉆孔之間的地質情況只能靠推測，而且費工時且成本較高。探地雷達技術能反映和區分不同地下介質層的界面，指出其精確深度、厚度和介質性質;同時其探測結果能反映與實際連續變化的地下剖面相符的圖像。大量實踐表明應用探地雷達進行地基勘查可以縮短工作周期甚至不施鉆孔達到滿意效果［10～12］。

如果隧道或地鐵線路經過地面建筑下方，則需對該建筑樁基礎平面位置與埋深進行調查，由于場地限制，雷達測線不能布設在樁基礎上方，這就需要借助房屋周邊已布置鉆孔，利用鉆孔雷達對其進行定位。鉆孔雷達技術是一種井中探地雷達，包括雷達機和接收機，并內置于不同的天線內。天線通過光纖與控制單元相連，光纖用來傳輸觸發信號和采集的數據，筆記本用來存儲和顯示圖像(如圖4 所示)。

圖4 鉆孔雷達測量示意圖(引自文獻［13］)

3.4 次生地質災害勘察

人類對于地下空間的不合理開發易導致城市次生地質災害如地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷的形成，嚴重危害到人民的生命和財產安全［14］。地面沉降波及范圍廣，下沉速率緩慢，往往不易察覺，對建筑物、城市建設危害極大。地裂縫寬度極小，埋深變化大，延伸較長，嚴重破壞地面及地下各種建筑、設施。巖溶地面塌陷主要分布于巖溶強烈到中等發育的覆蓋型碳酸鹽巖地區，不僅破壞巖溶區工程設施，而且易造成巖溶區水土流失、導致自然環境惡化。

高密度電阻率法與常規的電阻率法相比，它在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置形式，在電性不均勻的探測中取得了良好的地質效果。一次布極可以完成縱、橫向二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，同時又能提供沿縱向巖層的電性變化情況，具備點剖面和電測深兩種方法的綜合勘探能力。

目前精密水準測量和合成孔徑雷達差分干涉測量技術能夠實現對于城市地面沉降的監測，而高密度電阻率法則能夠快速查明地面沉降的誘發機制［15］。同時，利用高密度電阻率法可以探測地裂縫的位置、產狀及充填狀況，不僅效率高，耗資小，而且分辨率高。圖5 為肖宏躍等［16］利用高密度電阻率法在西安市某地地裂縫上的勘察結果，其中視電阻率等值線清晰地反映了F1、F2 兩條裂縫的位置及傾向。

圖5 西安市地裂縫高密度電阻率法探測斷面圖(引自文獻［16］)

高密度電阻率法在巖溶災害調查中可用于劃分可溶巖區、勘察基巖斷裂構造、了解基巖巖溶發育情況等。圖6 為王喜遷等［17］利用高密度電阻率法某高速公路的巖溶勘察的高密度電法電阻率斷面圖。

文中僅僅只是簡要介紹了4 種主要物探技術在獲取地下空間信息某一方面的應用。每種物探方法的應用都依據一定的物理前提，同時地質、地球物理條件和邊界特征對于探測成果具有較大影響。鑒于單一地球物理探測方法的局限性和探測成果解釋的多解性，加上目前大中型重點建設工程大多存在比較復雜的地質和工程問題，采用單一的物探方法一般難以查明或解決有關地質和工程問題。實際時應采用綜合探測方法互相佐證，并緊密結合相關資料綜合分析，提高探測結果精度和成果可靠性。

圖6 某高速公路高密度電法電阻率斷面圖(引自文獻［17］)

4 結 語

開發地下空間，逐步形成地面空間、上部空間和地下空間協調發展的立體化新模式，是現代化城市的發展方向，是城市可持續發展的客觀要求和社會發展的必然趨勢。而要想實現對地下空間的合理開發，首要前提是查明地下空間現狀信息。

物探技術在城市地下空間開發中的地位已越來越重要，許多探測成果可以直接為城市工程設計提供依據。但物探技術也有局限性，實際工作中要因地制宜，合理選擇物探方法，使物探技術更好地，更準確地為城市規劃建設服務。

地下空間開發的理想模式是充分發揮物探技術的高分辨率、高效率等優勢，綜合運用計算機技術、全球定位系統等測繪技術，建立基于地理信息系統技術的地下空間三維信息系統，該系統能夠直觀反映地下多層建(構)筑物、市政設施及地層信息，為地下空間規劃設計提供重要依據。相信隨著地下空間開發的不斷深入，物探技術將在其規劃建設中發揮越來越重要的作用。

［1］馬景月．城市地下空間與開發利用規劃［J］．地下空間，2002，22(3):200～204．

［2］王立群．中國工程物探的現狀與發展［J］．地球物理學報，1994，37(S1):385～395．

［3］張芳，朱合華，吳江斌．城市地下空間信息化研究綜述［J］．地下空間與工程學報，2006，2(1):5～9．

［4］孫緒金．淺層地震物探技術在工程地質與地下水環境研究中的應用［J］．華北水利水電學院學報，1999，20(3):37～40．

［5］李學軍．我國城市物探的應用與發展［J］．地球物理學進展，2011，26(6):2221～2231．

［6］吳曲波，徐貴來，柯丹等．淺層地震和高密度電法在城市規劃調查中的綜合應用［J］．世界核地質科學，2011，28(3):173～179．

［7］袁明德．探地雷達探測地下管線的能力［J］．物探與化探，2002，26(2):152～155，162．

［8］李大心．探地雷達方法與應用［M］．北京:地質出版社，1994．

［9］胡朝彬，鄧世坤，梅寶．探地雷達在調查地下人工構(建)筑物中的應用［J］．工程地球物理學報，2007，4(1):46～51．

［10］武鑄成，李遠強，劉昱．探地雷達在地基勘查中的應用［J］．北京地質，1995(3):28～31．

［11］王惠濂，李大心，鄧世坤等．探地雷達在建筑地基探測中的應用［J］．地球科學，1993，18(3):323～328，368．

［12］孟照輝，王天均，張世暉．探地雷達技術在深圳軟土地基處理中的應用［J］．工程地球物理學報，2006，3(2):125～129．

［13］陳建勝，陳從新．鉆孔雷達技術的發展和現狀［J］．地球物理學進展，2008，23(5):1634～1640．

［14］楊進，武煒，劉兆平．城市地質災害勘察中地球物理方法的應用效果［J］．物探化探計算技術，2005，27(3):233～236，182．

［15］王平，吳清星，劉少峰等．利用D－InSAR 測量和高密度電阻率剖面揭示焦作市王封煤礦老采空區地面沉降機制［J］．地球物理學進展，2011，26(6):2196～2203．

［16］肖宏躍，雷宛．用高密度電法探測西安地區地裂縫的應用效果［J］．物探與化探，1993，17(2):147～150．

［17］王喜遷，孫明國，張皓等．高密度電法在巖溶探測中的應用［J］．煤田地質與勘探，2011，39(5):72～75．