地质雷达和高密度电法在城市地下隐患探测中的应用

ValueEngineering·145·地质雷达和高密度电法在城市地下隐患探测中的应用ApplicationofGeologicalRadarandHighDensityElectricalMethodinUrbanUndergroundPotentialRisksDetection夏培XIAPei武汉430022）（武汉市测绘研究院，（WuhanGeomaticsInstitute，Wuhan430022，China）指导工程安全施工和危害预防。基于地质摘要院随着城市工程建设对地下空间的开发力度增大，需要对地下隐患进行准确定位，脱空、地质雷达分辨雷达和高密度电阻率法综合物探，针对同一工区探测地下空间存在的空洞、疏松体、废弃人防等隐患。结果表明：不适用于大范围的含水结构探测；对于含水结构的探测率高，适合探测浅层小型空洞，高密度电法适合具有目标指向性的精细探测，能够准确探测隐患位置。敏感性高，适用于大体积深度较深的含水空洞探测；两种物探方法有效组合，undergroundpotentialriskstoguidesafeconstructionandhazardprevention.Basedonintegratedgeophysicalprospectingofgeologicalradarandhigh-densityresistivity,itcandetectpotentialriskssuchascavities,voids,loosesoil,andabandonedcivilairdefensesintheundergroundspaceinthesameworkarea.Theresultshows:geologicalradarhashighresolutionandissuitablefordetectingshallowsmallbearingcavities;theeffectivecombinationofthesetwogeophysicalmethodscanaccuratelydetectthelocationofpotentialrisks.地下人防；综合物探关键词院高密度电法；地质雷达；空洞探测；cavities,butnotsuitableforlarge-scalewater-bearingstructuredetection;high-densityelectricalmethodhashighsensitivitytothedetectionofwater-bearingstructures,issuitableforfinedetectionwithtargetdirectivityanddetectionoflargevolumeanddeepwater-Keywords:high-densityelectricalmethod；geologicalradar；cavitydetection；integratedgeophysicalprospecting；undergroundcivilairdefense中图分类号院P631文献标识码院A文章编号院1006-4311（2022）22-145-04doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2022.22.048Abstract:Withtheincreasingdevelopmentofundergroundspaceinurbanengineeringconstruction,itisnecessarytoaccuratelylocate0引言使综合管廊、建筑工程、随着社会经济快速发展，地铁各类工程对地下空间的开发力等城市基础建设迅猛发展。（如空洞、脱空、疏松体、历史度越来越大，需要对地下隐患指导工程安全施工和危害废弃地下室）等进行准确定位，预防。高密电阻率法与地质雷达法作为重要的浅地表工程已勘探技术，是工程施工前期获取地质资料的重要手段，被广泛应用于地铁、隧道地质勘查、城市道路隐患检测、矿产空洞检测等工程项目的建设与维护中[1-3]。高密度电阻率法以地下不同介质体的导电性差异为基础，地质雷达是以地下不同介质体的介电性差异为基础。两种物探方法在适用条件、探测对象、分辨率以及探测本文有针对性地选取地质雷达和高密度范围都有所区别。电阻率法进行组合，针对同一工区探测地下空间存在的空脱空、废弃人防等隐患。洞、疏松体、1探测方法1.1地质雷达探测地质雷达主机通过发射天线T在地表发射高频电磁脉冲波，当电磁波遇到不同的媒质界面时便会发生反射和被接收天线R所接收，透射，反射波返回地面，地质雷达的工作原理如图1所示。实测时将雷达天线紧贴于地面，沿测线连续滑动；雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值，构成连续雷达剖面。本次探测采用美国GSSI要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要（1989-）助理研究员，硕士研究作者简介院夏培，男，湖北武汉人，生，研究方向为地下管线探测和工程物探。该系统具有数字化程度高、公司SIR-4000型探地雷达仪，透深能力强、探测范围广、分辨率高以及实时数据处理和图像显示等特点。成果剖面处理、分析、解释宽带脉冲源时域接收机发射TEr1Er2目标体R接收土壤层图1地质雷达工作原理图地质雷达探查是利用异常体与周围土壤层介质的电性差异来实现的。不同介质间的接触面及同一种介质内部当雷达波在传播的不连续面都是良好的雷达波反射界面，过程中遇到这些界面时，都会发生不同程度的反射、透射、散射或衍射，这些现象集中反映在地质雷达记录的波形和则波阻抗特征的变化上。如果在空洞或疏松异常的边界，同相轴错断，不连在地质雷达剖面上显示为强反射信号、·146·价值工程图2高密度电法工作原理续等特征。分析研究雷达记录所接收的回波的运动学与动力学特征，就可以判定废弃人防和空洞等隐患的具体位置。1.2高密度电阻率法探测高密度电法是一种阵列电法勘探[5]，其以目标物及与周围岩、土体的导电性差异为物理基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律，从而达到解决地质以及工程问题的目的。高密度电法和常规电法一样，通过A、B电极向地下供电流，在M、N极间测量电位差，从而可求得MN中点的视电阻率，工作原理见图2。本次探测选用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-4高密度电法测量系统，由WDJD-4型多功能直流激电仪和60道多路电极转换器组成。与常规直流电法的分析解释不同，高密度电法的成果分析解释必须依靠高性能的计算机和具有良好解释效果的分析软件。经过比较，本文使用的数据处理软件是瑞典高密度处理软件RES2DINV。通过修整数据，调节深度转换系数，选择等值线间隔，一般迭代4耀5次即可得到较为满意的反演结果。高密度电阻率法确定地下异常体主要基于目标体与围岩的电阻率差异。对于溶洞、不均匀体、地下空洞、废弃人防等地下异常体类型，在探测时通常采用球形或矩形作为模型，如果干燥或仅含气体，表现为高阻异常特征；充水和充泥空洞，表现为低阻异常特征。2工程案例武汉市一建设工地，初步怀疑工地内可能存在废弃人防或地下空洞，会对施工带来安全隐患。经过前期调研工程物探方法中地质雷达和高密度电法对于探测空洞等地下隐患结构是非常有效的，同时综合场地大小、地面平整度等现场环境，以及施工的经济性便利性，本文采用高密度电阻率法以及地质雷达两种物探方法，探测工地下方是否存在空洞、脱空、疏松体、地下人防等隐患，处理分析探测数据，找到隐患点。2.1测线布置依据探测区域现场情况，布置地质雷达和高密度电法探测线。为获得高质量的数据，高密度电法选取了1m的密集测深点距布极，地质雷达测线选用200MHz屏蔽天线，采样率50次/米。测线覆盖整个探测区域，根据探测结果进行局部测线加密。测线布设具体参考图3，红色线为高密度电阻率布线，蓝色线为地质雷达布线。图3物探测线布置图2.2探测成果2.2.1高密度电阻率探测剖面因场地施工受限，本次野外数据采集一共采集到八条高密度电阻率法剖面，每条测线长59m，电极距1m。从图4所示反演结果中可以看出：电阻率在该剖面图上分布较均匀，物性分层较为明显。在浅表深度范围0-2m为相对高阻层，该层电阻率值在100-400赘m范围内，现场观测到可能是松散的混泥土路基以及浅埋的建筑垃圾。位于测线16-34m，深度2.5-7.7m处出现大面积连续低阻体，电阻率值在0.4-3赘m范围内，图中红框表示，推断其很有可能是饱和水的地下结构。结合前期人防资料，推断此处为废弃人防结构充满地下水，形成的异常低阻体。查阅的地下人防资料（如图5），将历史资料获取的人防位置与探测出的人防位置进行比对（如图6），在本次探ValueEngineering·147·图4l2测线测量视电阻率反演剖面图6地下人防探测位置与历史资料位置比对图图5地下人防历史建设图纸测范围线内两者位置基本一致。该区域布设的地质雷达测线L31，针对人防异常体探测效果不佳，分析原因有以下两点：淤该区域建筑垃圾堆地质雷达天线测量不能很积较多导致地面严重凹凸不平，好的贴合地面，影响数据质量；于充填水的地下空洞，对雷达波呈现强吸收特征，雷达记录上回波衰减严重，不利于中深部成像，达不到探测要求。2.2.2地质雷达探测剖面对现场采集数据的雷达数据进行如下处理：淤自动变换增益或控制增益以补偿介质吸收衰减，实现道内均衡；于取相邻道数据平均以压制非目的体杂乱回波与空间随机干扰，改善背景；盂时间域滤波处理或频率域滤波以压制高频杂波干扰、降低背景噪声和余振影响。下面进行典型地质雷达剖面解释分析。淤地质雷达测线L10。测线L10中39.2m-44.8m范围，地下深度2.2m-反射波具有明显的顶界面，多次5.0m，图中用红色线框出，波表现连续平板状结构，怀疑是具有顶板和底板结构的空洞。后经施工单位开挖核实，此处为历史建筑的地下室。（图7）于地质雷达测线L13。测线L13中5.6m-8.4m范围，地下深度0.4m-1.6m，同向轴不连续，图中用红色线框出，内部波形结构较杂乱，怀疑是小型空洞或脱空。多次波明显，经过现场钻孔验证，采用钻孔内窥镜目标内部影像信息，确定此处存在小型空洞。（图8）发现高密针对上述小型空洞以及遗留建筑基础区域，度电法探测效果不佳，分析原因有以下两点：淤遗留建筑高的基础大多为混凝土，其电阻率与周围介质相差不大，密度电法基于电阻率差异很难区分；于小型脱空或者空洞对于体积较小，相比于地质雷达高密度电法分辨率较低，细部目标的探测能力不足。3结论本文开展地质雷达和高密度电法在城市地下隐患探测中的应用研究，得到以下结论：淤地质雷达和高密度电·148·价值工程图7地质雷达测线L10剖面分段详图图8地质雷达测线L13剖面分段详图法组合对于探测废弃人防、空洞、脱空等城市地下隐患结能够准确探测隐患位置。于地质雷达外业操构是有效的，作方便、快捷，适合大范围初探；且具有良好的分辨率，探适合探测浅层小型空洞。地质雷达不适测深度相对较浅，用于大范围较深的含水结构探测，水对雷达波呈现强吸收雷达记录上回波衰减严重，成像效果较差。特征，地质雷达不适用数据采集需天线贴地，对场地平整性有一定要求，于地面特别凹凸不平的施工场地。盂高密度电法外业采集电极浇盐水、经过钉地钎、铺设线缆、回收地钎线缆等多个步骤，耗费较大人力、采集效率偏低，适用于具有一定目标指向性的精细探测。高密度电法探测深度深，对于含水结适用于大体积深度较深的含水空洞探构的探测敏感性高，对城市硬测。由于高密度电法需要将地钎钉入地面下方，更适用于绿化带、施工区这样的化路面具有一定的破坏，场地。参考文献院[1]沈心涂.高密度电阻率法与探地雷达在典型工程探测中的应用[D].吉林大学，2020.张展，等.探地雷达与高密度电阻率法在[2]章雪松，钟宙灿，采矿空洞探测中的综合应用[J].工程地球物理学报，2017（05）：606-611.等.综合物探方法在工程基础勘探中的[3]王俊，雷宛，李星，应用[J].物探化探计算技术，2013，35（2）：215-220.等.探地雷达原理与应用[M].北京：[4]曾昭发，刘四新，冯晅，电子工业出版社，2010.[5]刘兴国.电法勘探原理与方法[M].北京：地质出版社，2005.[6]崔磊，张凤录.地质雷达在北京地铁地下空洞探测中的应用研究[J].测绘通报，2015（S1）：38-40.[7]刘西岭，余森林，鞠建荣.综合物探技术在城市道路塌陷灾害治理中的应用[J].城市勘测，2020（3）：188-191.等.三维探地雷达技术在道路塌[8]王洪华，龚俊波，王敏玲，陷空洞探测中的应用[J].CT理论与应用研究，2018，27（5）：609-616.等.探地雷达在城市道路塌陷隐[9]郭士礼，段建先，张建锋，患探测中的应用[J].地球物理学进展，2019，34（4）：1609-1613.[10]应伯宣.综合物探技术在轨道交通复杂管线与障碍物精细探测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2021，18（6）：917-922.