城市地面塌陷的探测技术

城市地面塌陷的探测技术

沈磊

（广东省地质物探工程勘察院 广州 510800）

摘要：针对城市地面塌陷的问题，首先分析了地面塌陷形成的原因，然后结合工程实例介绍了常用的城市地面塌陷隐患探测的方法技术，分析了各种方法的特点。实践表明，使用这些方法进行路面塌陷探测是有效可行的，为城市路面塌陷隐患的排查和治理提供了可靠的依据。

关键词：城市路面塌陷；地质雷达；地震映像、面波勘探

Abstract: In response to the problem of urban ground collapse, the causes of the ground collapse were first analyzed, and then the method techniques of the commonly used urban ground collapse were introduced in combination with the project examples, and the characteristics of various methods were analyzed. Practice has shown that the use of these methods for road collapse detection is effective and feasible, providing a reliable basis for the investigation and governance of hidden dangers of urban roads.

Keywords: urban road collapse; geological radar; earthquake image, Surface wave exploration

1、概述

地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种地质现象。当这种现象发生在有人类活动的地区时，便成为一种地质灾害。随着城市化进程的推进，大规模建设不断，城市的快速发展让城市地下空间越来越复杂，地面塌陷的灾害发生也越来越多。小范围的道路塌陷通常会造成交通堵塞，可能引起地下管线的断裂，威胁人民的生命财产安全；大范围的地面沉降、塌陷会引起建筑物的变形、倒塌，造成人员的失踪、伤亡，给城市的生产建设和人民生活造成巨大的损失[1]。

2、城市地面塌陷形成的原因

城市地面塌陷的形成主要有人为作用和自然作用。

1、地下水位变化，城市地下水过度开采，造成地下土壤含水层压力失衡，结合地下及地上建筑施工操作造成地层压力和承载力间的失衡，会形成地面沉降或塌陷；岩溶地区，由于建筑施工、采矿和打井等原因引起地下水位变化，土层中的泥沙被带进溶洞内，从而形成土洞甚至引起地面面塌陷。

2、地铁、地下管道等基础建设或公路周边建筑基础施工等由于施工方法不当，地基处理没有做好，造成浅表的脱空或松散，可能引起上部软弱土体失稳而局部溜坍，从而形成空洞引起塌陷。

3、城市路面以下需要埋藏了大量的纵横交错的自来水、煤气、污水等地下管道（线），当地下管道施工后未处理好施工井或管道长期渗漏等也会引起路面沉降，甚至引起严重塌陷等事故。

4、处于软基的路面，由于沉降不均匀也会引起路面大面积凹陷或开裂，甚至形成小空洞。

5、降雨过大，使得城市地下松散沉积物孔隙处于饱和状态，砂砾石间的摩擦力相对减小，容易产生塌陷。

3、探测地下空洞的物探方法

根据现场条件和探测目的，可选用地质雷达法、地震映像法、面波勘探法等进行地面塌陷隐患的探测工作。

3．1地质雷达

探地雷达探测是一种快速、连续、非接触电磁探测技术，具有采集速度快，分辨率高的特点。地质雷达是用高频电磁波(1MHz～1GHz)来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法。如图3.1.1示，通过发射天线T，按照确定的方向，将高频电磁波以宽频带脉冲形式向地下或进深方向发射。在均匀介质中，电磁波以一定速度传播，当遇到有电性差异的地层或目标体时，如不同材料的交界面、断层、破碎带、溶洞和含水层等，电磁波便发生反射，返回到地面或探测点，被接收天线R接收并由主机记录，得到从发射经地下界面反射回接收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时，可根据测到t值，并结合对反射电磁波的频率和振幅等进行处理和分析，便可求得目标体的位置、深度和几何形态[2]。

图3.1.1  地质雷达工作原理图图3.1.2  地质雷达时间剖面及解释图

图3.1.2是某道路的雷达探测时间剖面，图中的反射波同相轴紊乱，频率变低，能量增强处推断为地层疏松不密实区。在异常中心处使用手钻钻孔验证，路面以下约0.5m开始出现钻进快、掉钻等现象，与雷达推断异常相吻合。

3．2地质地震映像

地震映像（又称高密度地震勘探和地震多波勘探），是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法，是以相同的小偏移距逐步移动测点来接受地震信号。地震映像法可以利用多种地震波信息作为有效波来进行探测，不仅能直观的反映地层界面的起伏变化，而且能探测地下隐伏空洞、溶洞、及异常物体

[3-4]。

图3.2是某公路行车道上的地震映像探测结果，地震映像时间剖面中两处红色区域波组同相轴紊乱，能量增加，振幅变大，波形变宽且存在异常边缘存在一定的绕射波。

图3.2地震映像时间剖面

3．3面波勘探

瞬态面波法是以一定的偏移距在测线一端，通过使用重锤在地面激振而产生瑞雷波，在被检测地段以等间距布设检波器，利用仪器记录从检波器上拾取的瑞雷面波，经专门软件的处理，计算得出频散曲线，通过对频散曲线的分析，来解决浅层工程地质问题的一种方法。瑞雷面波法工作示意图如图3.3.1所示[5-6]。

图3.3.2是某道路路基塌陷回填后的面波勘探反演波速映像图，图中985~998点号之间速度等值线明显下凹，推断为岩溶发育区域，975~1000号点之间图层中也存在明显的低速圈闭区域，推断为回填不密实引起。

图3.3.1 面波勘探工作示意图图3.3.2 面波勘探波反演视横波速度剖面

4、结语

（1）探地雷达、地震映像和面波勘探在城市地面塌陷隐患探测中均有效果。探地雷达具有分辨率高，采集速度快的特点，但是其探测深度有限，对于路面以下3m以浅的病害隐患异常具有良好的探测效果；地震映像法的勘探深度相对较大，但是地震映像法只能确定异常的平面位置和大概的深度，无法精确确定异常的埋深，且对施工场地的地表一致性要求较高；面波勘探深度更大，能查明深部的岩溶发育，分析地面塌陷形成的原因，但是其深部分辨率较差，对于规模较小的病害隐患探测效果不理想。各种方法应配合使用，相互验证，实际探测中建议根据现场条件先采用地质雷达法或地震面波法快速扫面，在推断的异常区域进行加密测线或补充方法详查，在发现安全隐患重大的区域进行面波勘探，查明深部的地层特征，然后结合施工资料、工程地质和水文地质资料综合分析空洞成因并及时治理。

（2）建议在易发生地面塌陷的城市地区开展城市地面塌陷勘查，查明城区内岩土工程地质特征，进行其地质灾害危险性评估。在路面附近或路面下方进行过盾构、路面附近基坑开挖等施工过程中和施工后建议进行地下空洞的检测工作，以确保路面安全。

参考文献：

[1] 杨震中，综合物探方法在堤防隐患探测中的应用研究［D］．长沙；中南大学，2007．

[2] 周大海，秦志明. 钻探、地质雷达物探在岩溶地面塌陷勘查中的结合应用[J]．西部探矿工程，2017，29(06)：11-14.

[3]张华，徐红利．地震映像法在地质灾害中的运用［J］．工程勘察，2010，21（5）：89-93．

[4] 单娜琳，程志平，地震映像方法及应用[J].桂林工学院学报2003，23（1）：36-40.

[5] 刘云桢，王振东，瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例[J].物探与化探, 1996, 20( 1 )

[6]李凯．面波勘探技术在工程勘察中的应用进展[J]．工程地球物理学报，2011，8(1)：97-104．