田增彪，李 杰

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春130000;2.河北九华勘查测绘有限责任公司，河北保定071051)

目前，全国各城市频繁发生道路塌陷灾害事故，不仅造成了较大的经济损失，还给城市中生活的人们带来了不可预知的实实在在的生命与财产威胁，对社会的负面影响非常大。预防和解决城市道路塌陷，保护人民生命与财产安全，已成为城市建设、管理工作的一项重要任务。近几年，河北九华勘查测绘有限责任公司(五一九大队)在物探应用于找矿之外项目上，投入大量人力物力开展技术研究和方法试验工作，对特定技术难题组织专项攻关，取得了空洞塌陷、地下涵洞、古墓葬等方面的应用效果，为部分城市道路塌陷探测抢险工作提供了可靠的技术支持;但在城市道路地下空洞快速探查和塌陷危害整体检测评价方面，仍存在物探方法选择、仪器设备性能提升，检测路线方式与工作布置等诸多问题有待解决与突破。

一、城市道路塌陷的原因分析［1-2］

中国城市分布于广袤960万km2的地域中，各城市的自然环境、地理位置、人文条件等差异很大，城市道路塌陷的原因千差万别，同时，相同的快速发展、快速扩张的城市状况，又使其具有了更大的共同性。造成城市道路塌陷的原因大致可分为:①自然地质环境的原因，如岩层与地下水变化造成的岩溶性塌陷、地质构造活动造成的断裂塌陷等;②人类生产生活的原因，如地下水过度开采造成的沉降塌陷、矿产开采后造成的采空区塌陷等;③城市建设工程施工的原因，如地铁、地下设施及建筑基础工程使得原有的地下密实层被破坏导致的地面塌陷;④地下各类管道运行故障与缺陷，特别是地下液体传输管道破损与断裂的原因，如自来水管道泄漏导致路基土被水冲刷、淘蚀，土粒随水流失引起地面塌陷等。前两类属区域性的，不止发生在城市道路上，塌陷位置、塌陷规模与地质条件有关，一般发生在一些特定的城市，出现频次较低，但塌陷范围、深度较大，破坏力较强;后两种原因产生的塌陷，其塌陷位置与工程施工场地、管道经过路线相对应，主要发生在城市道路上，规模、深度相对不大，但发生频次非常高，是当前各城市普遍存在的威胁人民生命财产的重要危险源。如2013年7月5日，长沙湘中路突然发生塌陷，坑口面积30 m2，一台轿车掉进坑中被吞没，致使一人丧生，其附近就是市政地下工程施工地;2012年4月1日，北京车公庄大街路面突然塌陷，造成一行人掉进坑中身亡，据查塌陷是由于热力管道漏水引起;2009年10月2日，重庆井盛路发生面积100 m2、深6 m塌陷，塌陷部位有5 m宽的排水箱涵;2012年5月27日，西安牛宏路突发长15 m宽10 m深约6 m大坑，原因是地下半径1 m的管道断裂漏水。仅公布于媒体的例子就不胜枚举，因此这些应作为城市道路地下塌陷危害检测评估方法研究的主要对象。

二、地下空洞探测的物探方法

根据要探明的地下空洞的位置、深度、大小等特征，选择不同的物探方法或采用综合方法进行探测工作。目前比较有效的物探方法有以下几类。

1.普通电法类［3］

普通电法利用空洞与周围介质的电阻率差异，通过研究地下人工供电电流的分布特征，推测地下空洞的位置、深度、大小等特征。用于地下空洞的普通电法探测装置主要有两种:①对称四极测深，对称四极测深是通过调整AB和MN极距改变探测深度和分辨率，曾在贵州、云南等地岩溶地区高速铁路路基探测中发挥很大作用［4］;②高密度电法，高密度电法装置较多，采集数据量大、分辨率高，在工程地质勘察领域应用广泛。探测地下空洞一般采用温纳装置α，道数和道距根据目标体的深度和大小确定。道距一般1～2 m，道数60～120道。对于深度较小的目标体，也可选择α2装置或微分装置，提高分辨率。

2.电磁法类

用于地下空洞探测的电磁法勘探主要有两种:①音频大地电磁测深，音频大地电磁测深是通过在地表接收音频大地电磁电场、磁场信号，计算卡尼亚电阻率，分析地下介质的电阻率变化特征，推测地下空洞的位置、埋深、大小等特征。音频大地电磁测深探测深度大，适合探测埋深较大的地下空洞，目前较常用的仪器是美国生产的连续电导率剖面仪EH4。②探地雷达［5-6］，探地雷达是向地下发射高频电磁波，通过接收反射回来的电磁波，研究地下空洞的位置、深度、大小等特征。探地雷达分辨率高、工作效率高、探测深度较小，适合城市道路地下空洞及防空洞探测。道路地下空洞一般深度较小，宜选用中低频天线进行探测。空洞深度较大时，一般5m左右，宜选用低频天线进行探测。

3.浅层地震法类［7-8］

浅层地震勘探是利用地下不同介质的波阻抗差异，通过研究人工激发的地震波的传播特征，推测地下空洞的位置、深度、大小等特征。该方法分辨率高，但生产成本较高，数据处理流程复杂。用于地下空洞探测的浅层地震主要有3种方法:①地震纵波反射波勘探;②地震横波反射波勘探;③地震面波勘探。地震纵波反射波勘探用于埋深几十米以下的目标物探测，适用于采空区等探测。地震横波反射波勘探和面波勘探探测深度较小、分辨率高，适合埋深较小的地下空洞探测。

城市道路空洞埋深较浅，仅在地下数米之内，一般浅层物探方法均应有一定效果，但因空洞所处道路环境，普通电法类要求的接地条件无法满足，浅层地震法类要求的布置多道探头、检波器操作难度较大，这两类方法实用性不够，对个别点探测尚可，面积性检测评估采用较少。在上述探测地下空洞的物探方法中，测深能力与道路地下空洞相匹配，又适合城市道路约束环境的方法，目前最佳选择是电磁法类的探地雷达法。

三、探地雷达应用环境条件分析

地球物理探测技术方法应用的前提是探测目标与其周围介质存在可检测到的物性差异，话即，存在相应的物性差异时，就能将目标体探测出来。在城市道路探测地下空洞，应用探地雷达方法的物性条件充分。一般来讲，当探测目标体与周围介质存在介电常数差异大于1时，雷达就可以检测到反射。实际上城市路基介质(混凝土、沥青、土石层等)介电常数尽管因含水量不同而变化较大，但一般范围是二点几到二十几之间;而空洞的介电常数一般是充空气时为1，充满水时为81，或上气下水两者兼有，不管哪种情况路基与空洞的介电常数差异都远大于1，满足物性前提要求。另外，空洞的顶板埋深与空洞的空间尺度(直径)之比一般小于1，空洞体规模相对较大，保证了雷达探测能力。城市道路地下空洞探测存在如此优越的地球物理前提条件，但实践中雷达检测效果却未能显示出其应有的探测能力。这里除了仪器设备的性能因素外，应和雷达方法应用在城市的复杂环境中有直接关系。首先，道路地下空洞附近有城市基础设施的包围，包括各种管道、沟涵、窨井和地上地下线缆，稍远有规模不一的各种构筑体、建筑物，它们对探测电磁信号的影响很难进行定量评估;其次城市电力、通信设施产生的电磁场、无线广播、通信发射基站的电磁波、地下杂散电流信号等产生的干扰信号强弱变化大、频率范围广;再次检测施工时很难避开的行驶的汽车、电车、城轨列车等产生的随机干扰影响等，这些很难压制、剔除的电磁波信号干扰到雷达电磁波信号，造成雷达提取的有效电磁波信号失真，加之道路路基的基质非常不均匀、含水量差异大导致路基基质介电常数很不稳定，数值变化范围很宽，这为雷达检测参数设定、数据信息处理解释带来困难。在上述种种因素叠加影响下进行的雷达道路地下空洞探测，其检测效果未能达到理想状态就是可以理解的了。但这不能阻止我们克服困难去努力探索解决实际问题的路径。

四、探地雷达应用于道路塌陷危害检测评估的几个问题

城市道路塌陷危害检测评估有别于道路空洞应急处理点的探测，它是对城市道路内所有可能造成危害的空洞准确位置、规模大小及分布状况进行整体普查评价，并作出处理方案。这就要求现在使用的探地雷达从仪器性能、数据解释到施工路线设计均应改进提升。突出表现有以下几个问题。

1.使用天线频率与探测深度问题

一般情况下，仪器设备探测深度的能力与无线的发射功率有关，功率越大探测越深;与天线的使用频率有关，采用频率越高，信号的表减越快，探测深度就变小。试验表明，100 MHz天线(24 bit)单程深度，花岗岩为120～140 m，灰岩为80～90 m，页岩为5～6 m，路基介质接近页岩，基本反映道路空洞的探测要求。400MHz天线路基介质中探测能力应在2 m之内，探测深度不够，要增加探深除非增强发射功率，目前还没能做到。但一般还是采用400 MHz天线工作。

2.使用天线频率与水平分辨能力问题

使用不同天线频率水平分辨能力差异较大，100 MHz天线水平分辨能力见表1，对路基介质水平分辨能力大致为，H=1 m时1.5 m内，H=2 m时2 m之内，400 MHz天线水平分辨率有所提高，水平分辨能力大致是100 MHz天线的一半。可见100 MHz天线刚刚满足探测要求。

表1 不同介质中的分辨率Rf=(λH+λ/4)1/2

3.雷达高速探测与跟踪定位问题

以往MARK、卷尺测量定位方式，不能适应高速探测定位要求。高速探测与实时GPS测量结合，便于快速定位坐标异常点和对异常点进行实地现场勘查，也可以在大比例尺地形图上进行初步干扰因素分析判断，降低作业强度，达到快速分析评价的目的。

4.雷达探测作业部署的针对性问题

雷达高速探测无论每小时检测多少千米，都属于线状检测，如何完成城市道路整体检测评价值得研究。如采用高密度线对道路检测，检测成本高，实施周期长，可能难以承受。若结合城市管网图，选择关键线路布置重点检测线开展工作，应能起到事半功倍的效果。

五、探地雷达探测空洞塌陷实例

1)江西省赣州市宋代古排水涵洞由于年代久远无资料可查，为了进行保护性开发利用，对其开展雷达探测工作，图1为埋深1.0 m、宽1.2 m、高1.5 m的古排水涵洞实际探测成果图。

图1 赣州市地下排水涵洞探测图

2)河北省保定市2012年夏季发生暴雨灾害后，多地村庄出现地面塌陷，为预测可能再次出现塌陷的地面范围，对重点区域进行了雷达探测，以指导防灾工作，图2为实测结果解释推断剖面图。

图2 保定市塌陷区探测推断解释剖面图

3)天津市静海宋代古墓探测，图3为探地雷达实测图像，图中方形区域为古墓主体，表现为完整的反射弧，深度在1～1.5 m，宽度约2 m。

图3 静海古墓探测推断剖面图

六、结束语

全国各城市道路塌陷灾害事故给人们带来的生命与财产威胁越来越大，应尽快研究出适合对城市道路快速、准确、便捷和经济的空洞塌陷检测评估方法体系，化解道路塌陷危害问题，满足社会需求，为社会服务。尽管探地雷达应用于道路塌陷危害检测评估还存在一些问题和不足之处，还需要大量改进与提升工作，但该方法仍是目前较合理的选择。

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