城市地面塌陷防治的物探测试方法

李学军，田学军

(1.东正元地理信息工程有限责任公司，山东济南250101;2.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定071051)

近几年，城市路面塌陷事故频发，2006年1月3日的北京京广桥地面塌陷，造成了严重交通拥堵;2013年5月20日的深圳龙岗区道路塌陷造成了人身伤亡。地面塌陷是天然洞穴或人工洞室上覆岩土体失稳突然陷落，导致的地面快速下沉、开裂的现象和过程，是主要的地质灾害之一。导致城市地面塌陷的因素很多，包括天然的地质条件变化如岩溶发育、松软地层、不同时代阶地等，和人为活动的影响即超采地下水、地下采矿、地铁施工、地基施工、管道漏水等。地面塌陷的发生，严重威胁着当地的经济建设和人民生命财产安全。地面塌陷的发生、发展会引起地球物理场的变化，如地基不密实、土质疏松、裂隙发育、洞穴或采空区的存在、管道漏水等都会导致电性、密度等物性变化，因此其为物探测试方法提供了应用前提条件。物探测试虽然是间接手段，但具有快捷、经济的明显优势，可在城市地面塌陷的防治工作中发挥积极作用，具有良好的应用前景。

一、物探测试在城市地面塌陷防治中的作用与任务

1)作用:物探测试方法是间接的勘查手段，其作用在于查条件、提供信息。而在城市地面塌陷防治中，开展地球物理探查与测试，就是查明地面塌陷诱发条件，为地面塌陷的防治工作提供依据。

2)任务:物探测试是以目标体与周围介质的物性差异为前提，如电性、磁性、密度、波速、温度、放射性等，并根据物性差异选择适当的方法与技术，对可能引起地面塌陷的条件进行探查测试，在塌陷后探查塌陷范围、形态，或在治理后探查测试反映治理效果的信息。

二、物探方法应用的原则

1.已知指导未知的原则

物探现场工作布置应遵循由已知到未知、由点到面、由简单到复杂的原则。开展物探应充分利用区内已有的各种地质资料和工程资料，合理选取各种技术参数，建立地质—地球物理模型，指导面上物探数据的正确采集，从而保证指导数据处理、资料解释及成果推断。因此，布置物探工作前应认真收集、分析和利用区内已有的各种相关资料。

2.多信息综合的原则

产生塌陷的空洞、疏松土质、发育裂隙均与其周围介质之间不同程度地存在着多种物性差异。因此，可投入多种物探方法来获取多参数异常，从多种角度、不同的物性差异产生的多信息数据来综合分析和研究塌陷诱因的赋存特征及塌陷形成条件，避免单一物探异常的多解性，有助于提高物探资料解释成果的可靠性和准确率。

3.优化组合的原则

开展物探要在已知地段按照不同的物性差异条件和工作环境，选用不同的物探方法开展试验，并对比分析试验结果，合理地选定有效的物探方法进行优化组合，即综合物探，这是保证探查效果、提高经济效益的重要途径。开展地面塌陷的物探测试工作，不但要考虑选择方法的能力与局限，还应正确认识城市的工作条件限制，包括场地的大小、地面条件、声电干扰等。

三、常用的物探测试方法与应用

1.常用物探测试方法

针对地面塌陷，经过广大物探技术人员的努力与实践，取得了大量应用资料和较好的探测效果。目前，按照塌陷防治的不同阶段，一批物探测试方法发挥了积极作用，显现了物探测试方法的技术优势和应用前景。

1)电磁法:电磁法是以电磁场为场源的物探方法，易受电磁干扰。在城市条件下，探地雷达法成为最具应用优势的物探方法之一，不仅可以快捷实施，而且可以做到无损探查，并取得较高的精度探查结果。探地雷达法是应用脉冲电磁波来探测地下土层松散区域分布、空洞、岩溶、采空区、裂隙发育带的存在或地下水富集区。探地雷达法可以在塌陷隐患预报、塌陷范围和深度探查，以及治理效果评价中发挥作用。近年来仪器取得发展的瞬变电磁法，在城市中应用探查隐伏空洞、岩溶、管道漏水浸湿带的潜力开始显现，可以在地面塌陷诱发因素探查中可发挥其独到的作用。电磁法除在地面的应用外，还可在塌陷治理阶段进行效果评价，采用钻孔电磁波层析成像或钻孔雷达探查钻孔周围一定范围内或钻孔之间治理加固的情况。高密度电阻率法作为直流电法的当今代表，以人工稳定电流场为场源，对地下进行电阻率成像，可以对具有一定规模的地下岩溶、土洞、采空区、地下土层疏松区等可能诱发地面塌陷的目标体进行探查，但易受场地大小、杂散电流的影响。与传统的电测深法、电剖面法相比，高密度电阻率法具有较好的分层和探测细小目标的能力，较适合于浅部目标的探测。

2)浅层地震法:浅层地震是研究人工激发的地震波在岩(土)层中传播的规律来解决浅层地质问题的方法。在地质灾害勘查中，地震波的激发方式一般为敲击法或落锤法，当敲击或落锤能量弱时，在确认不引起或不诱发地质灾害时可考虑采用小药量爆炸法，目前开始采用了可控震源。用于地面塌陷的浅层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、横波反射法、陆地声纳法;而瑞雷波法分为稳态和瞬态。浅层地震方法除了可以查找一定规模的隐伏空洞、采空、岩溶外，还可借助钻孔进行波速测试，且可在地面利用瑞雷波法实现测试，所以条件具备时可考虑进行治理前的探查或治理后的效果评价。

3)其他方法:①微重力法，微重力法是微伽级重力仪出现后对重力勘查方法的称谓，以重力场的变化作为基础，主要用于隐伏洞穴的探查;②利用声学原理和管道内窥探查地下管道漏水或查视地下管道破损状况的方法;③温度测量法，主要用于地下隧道施工时的水体超前预报，避免引发地面塌陷。

2.物探测试方法在城市地面塌陷防治中的应用

1)地面塌陷预防:①地下隧道施工阶段，利用探地雷达法、瞬变电磁法或地震反射法、温度测量方法，预报不良地质体、地下水体等;②查找地下洞穴(岩溶)，圈定地下采空区，预报可能引发地面塌陷的区域;③查找地下管道漏水点，或配合地下管道的破损点检视，防止因不能及时发现、及时处置而可能导致的地面塌陷等灾害。

2)地面塌陷治理前:①探查，在分析目标地质体的地层物性特征规律基础上，选用合理的物探方法技术进行扫面探测，获得可能引起地面塌陷的物性异常，分析和推断异常目标体的赋存形态、规模、埋藏深度等特征，或通过物探测试，圈定地面塌陷的波及范围及塌陷深度;②评估，与区内已有的钻孔资料、工程资料等紧密结合，对测区内的地面塌陷危险性作出客观评估，为制定治理方案提供依据。

3)地面塌陷治理后:①通过物探测试，获取注浆加固或夯实后的相关数据信息，为治理效果评价提供依据;②监测，依据地面塌陷已发区的地层物性特征和发育规律，选用物探测试方法和高精度的探测仪器，对灾害目标体及其周边地区实施探测或长期监测，获取可靠的监测数据，分析塌陷发生的背景和条件，综合其他有关地质与工程资料，对塌陷的分布现状、变化、延续甚至扩大的可能性作出判断，为制定控制或防治的措施提供依据。

据了解，北京、上海、杭州、深圳、广州、大连、青岛、西安、厦门等在建地铁城市，在地下工程施工前或施工中开展了大量物探测试工作，并在地面或隧道中进行地下管线的探查、地下不良地质体探查，以防揭露地下管道支撑体、泄漏点及不良地质体，引发地面塌陷。太原市在近期组织开展的以查找地下空洞为主的主城区部分道路的地面塌陷隐患普查，物探测试是使用的主要手段。

四、结束语

1)物探测试方法以物性差异为基础，具有快捷、经济的优势，可以为防治城市地面塌陷提供丰富、可靠的信息，实现查条件、提供信息的目的;但是，每一种物探测试方法具有相应的应用条件，因而单一方法的局限性和探测结果的多解性是客观存在的，遵循已知到未知、综合物探的原则，方能发挥物探测试方法的作用，取得较好的效果。

2)在城市地面塌陷防治的不同阶段，可以通过物探测试工作获得有益的依据信息资料，包括在地下工程施工中预防塌陷的物探，以及塌陷治理前后的探查与检测。选择有效、经济合理的物探测试方法，不仅可以节省大量用于查条件的工程，而且工作快捷、信息丰富;但需明确其只作为间接探测手段，而不能代替必要的钻探工程。

3)物探测试要伴随工作条件适应性认识程度的提高，进一步开发仪器设备，完善数据采集、处理与解释技术方法，提高物探测试资料的获取、加工与展示的自动化和智能化;同时，开展城市地面塌陷的物探测试工作，把握其专业技术获得信息丰富的优势，可与现代遥感技术、地理信息系统技术结合，推进实现在城市地面塌陷防治中的预警机制的形成与不断完善，为智慧城市建设发挥更大作用。

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