郝志东

（甘肃省有色金属地质矿产勘查局白银矿产勘查院，甘肃 白银 730900）

截止2020年我国城市化率达到63.89%，城市的不断快速无序扩张，导致各类“城市病”慢慢地凸显出来，如交通拥堵、城市内涝、地下管线不清、城市资源浪费、城市环境问题恶化等；城市的无序扩张也导致了建设用地的紧张以及对耕地的挤占［1］。城市地下空间的充分开发利用，可以提高城市土地利用率，缓解城市中心密度，做到人车立体分流［2］，扩充基础设施流量，减少环境污染，改善城市生态，增强城市功能，提高城市效率与防灾韧性等［3］。而地下空间资源的合理安全开发利用，离不开对地下空间各类参数的精细探测［4］。城市地下空间逐步从传统的勘测手段向智能化方向发展，其具有流程数字化、存储利用一体化、数据分析智能化、管理决策实时化的特点［4-5］。城市地质探测与地下空间开发利用存在的主要难题有［6］：场地地质条件不清、不良地质探测不准确、缺乏精细的边界刻画等。由于城市地下空间的探测受制于周边复杂的电场磁场环境，已有建筑物条件限制，传统的探测方法难以施展而导致探测盲区，易留下工程隐患。

1 适用于城市地下空间探测的方法

基于数字信息化平台共享机制的城市地上地下空间一体化数据库及三维数据模型的构建，需要探测方法具有可数字化、共享共用性。探测的基本方法与传统地质勘探的方法在原理上是大同小异的，只是应用于城市地下空间探测的方法更具有灵活性、抗干扰性及探测网格的不规则性等特点，并针对地下200 m以内空间的精细探测，其主要地球物理方法有浅层地震勘探、高密度电法、地面瞬变电磁法、地质雷达法、微动探测法、跨孔弹性波CT、跨孔雷达、跨孔电阻率CT等［7-8］。

1.1 浅层地震勘探

浅层地震勘探对调查场地基本无损坏，探测精度也高，因此在城市地下地质探测中占有重要地位。浅震不仅可以探测地下不良地质体，通过矫正还可求取工程上需要的力学等方面的参数（比如S波速度）。因此浅震在城市浅层地质精细勘探中具有较大的应用潜力［9］。

鉴于浅震探测的良好适用性及较好的探测效果，国际上研发出了陆上“地震拖缆系统”，该系统可极大提升浅震在城市地下勘探过程中的施工效率［9］。该系统可充分利用横波对地下地质体及地质参数进行探测；横波地震勘探可对冲击层地下地质结构进行高分辨率层析成像，其探测深度一般可达到约60 m。纵波浅震勘探的高精度探测深度可达到约200 m。总之“地震拖缆系统”可以在城市路面等线状场地对地下地质体进行有效探测。

浅震的优点在于其可以有效探测城市地下空间高波阻抗界面的识别刻画以及判定地层的连续性及压实情况等［10］；其缺点是无法精细地探测地层的岩性及其含水性［10］，同时浅震在城市中施工易受施工场地条件约束及震源噪声的影响。

1.2 地质雷达法

探地雷达是利用天线将高频、超高频微波频段的电磁波向地下发射，根据电磁波在地下不均匀地质体传播过程中其介电常数的差异产生不同的反射、衍射和折射的电磁波判断地下地质结构的方法。通过天线接收经地层反射后的电磁波，根据介质的反射系数、电磁场强度、发射接收时间间隔、雷达扫描图像等数据就能解释推断地下地质体情况［11］。地下物质介电常数的差别是高频电磁波反射产生差异的根本原因，探测过程中常见地层的相对介电常数见表1所列。

表1 常见介质相对介电常数［11］

根据地下介质介电常数的差异，利用地质雷达法可以探测地下15m 以下浅的空洞、塌陷、道路损毁情况、渗水情况、PVC 管与金属管、不良地质体等。探地雷达在城市地质精细探测信号所受到的干扰较多，同样测线布置受限较多，目前的探测精度并不高，如何去除干扰、提高精度将是以后探地雷达探测研究的主要研究方向。

1.3 微动探测法

微动是指地面的微弱振动，其震源包括但不限于潮汐、海浪拍击海岸，以及人类生产、生活（如工厂机器的振动、交通车辆行驶等）产生的振动，微动探测则是利用微动信号中的瑞雷波频散信息达到探测目的，因为利用天然源信号，因而具有无损、抗干扰的技术优势，特别适用于城市强干扰环境［12-13］。

微动理论是美国地球物理学家Aki（1957）和Capon（1969）提出的，二者从理论上推导出利用空间自相关法（Spatial Auto-Correlation Method，SPAC），从微动信号垂直分量中提取地下介质的面波频散曲线，进而计算地下介质的层速度，但是其算法及其复杂［14］；Okada（2003）从算法上对空间自相关法（SPAC）进行改进，在多重阵列中应用扩展的空间自相关法（ESPAC），从而提高了计算的效率，使微动探测技术在工程应用中得到实现［14］。

最近几年来，微动探测应用的范围越来越广，也成为国内外物探界研究的热门，微震探测的应用从工程地质勘察到场地稳定性评估，从矿产采空区勘查到盆地结构调查，其应用范围越来越广泛［12］。

微动信号具有抗干扰、易采集、无损害等优点，微动方法可以提供卓越周期、不同岩性层厚度、地层横波速度等信息，可以在探测城市地质结构、场地效应评估上发挥更大作用，为城市地下空间精细探测提供有力手段，为“透明地壳”计划提供新方法，有利于城市健康快速、智慧、智能发展［14］。

1.4 高密度电法

高密度电法的基本理论思路是由英国的地球物理学家首先提出，它是在直流电法勘探基础上演变而来的一种勘探方法［8］。在20世纪80年代后期，我国的地球物理学家开始高密度电法及其应用技术研究，将实践与理论结合，完善了该方法的理论基础及有关应用技术问题，自主开发了相关高密度电法仪器［8，15］。近年来高密度电法在采空区探测、工程勘察、桥墩、坝基选址及地裂缝探测等众多工程探测领域均有较好的探测效果，产生了较好的经济社会效益［8］。

在高密度电法应用和研究的这30 余年间，通过仪器的研发制造、理论的不断完善加上实践经验的积累，高密度电法的道数越来越多，针对性的处理解释技术也日趋成熟［8，12］。但是针对高精度、高效率的三维高密度电法的电极布置、数据采集、处理解释技术大多数还处于理论及试验阶段，距离广泛的工程实际应用还有一段距离，也是目前国内外学者研究的方向［8，12］。

1.5 等值反磁通瞬变电磁

中南大学教授席振铢于2014年首先提出等值反磁通理论应用于浅层瞬变电磁法［16］。该方法通过消除接收线圈自身产生的感应电流，得到地下地层产生的纯二次场响应信号，从而有效解决了一般瞬变电磁法浅部勘探盲区这一技术问题，使得顺变电磁法在浅层城市地质勘探成为可能［16］。该抗干扰能力强且不受地形限制，适用于城市复杂环境地下探测［16］。

等值反磁通瞬变电磁，可有效利用地下介质的磁性差异进行探测，有效探测深度可达200 m［16］。探测结果分辨率高、针对浅部的信息丰富；同时具有发射和接收一体式线圈，设备重量轻、体积小，数据采集方便，但是深部探测精度不高［16］。

1.6 跨孔物探技术

在城市地质精细探测中，为充分逼近异常体并利用勘察钻孔而发展起来的一类跨孔物探技术，目前主要有跨孔电阻率CT、跨孔地磁波、跨孔弹性波CT等。

1.6.1 跨孔雷达

跨孔雷达法是在2 个相邻的钻孔中分别放置发射和接收电磁波（工作频率0.5～32 MHz）的装置（如图1所示），根据深度上接收的电场强的强弱，反演两孔间地质体的介电常数，从而推断地下地质情况的方法［17］。跨孔雷达具有灵活性高，速度快，无损的优点；缺点是横向穿透深度探测深度有限（约10 m），受外界电磁干扰影响较大［17］。

图1 跨孔电磁波现场布置图［17］

1.6.2 跨孔电阻率CT

跨孔电阻率CT 法是把电极点依据不同的探测需要，放置到两个相邻钻孔内进行测量的直流电阻率勘探方法（如图2所示）［18］。且由于电极布置于钻孔内，这样可最大程度不受地形起伏影响，具有较高的勘探精度［18］。图2为跨孔电阻率CT 的三种电极布设方式，一般来说四极装置具有更好的分辨率［18］。

图2 跨孔电阻率三种测量方式图[18]

1.6.3 跨孔弹性波CT

跨孔弹性波CT的现场仪器布置同跨孔雷达类似，在2个相隔一定距离的平行钻孔，1个钻孔放置激发装置，1 个钻孔放置接受装置（如图3所示），通过探测弹性波走势或振幅变化，反演地层内部三维速度结构或衰减特性。跨孔弹性波CT 在有岩心数据矫正的情况下，可获得地层介质的力学参数数据，但是参数受外界环境影响较大［17］。

图3 跨孔地震CT成像观测系统图［17］

2 探测方法展望

城市发展到一定阶段，即转向高质量发展的过程中，就有了对地下精细探测的需求。展望未来城市地质探测方法会向无损非网格化探测技术发展，同时由目前的定性探测向工程建设所需要的参数的定性方向发展，由目前的三维探测向四维监测方向发展。勘察、监测、施工方法效率不高、缺少数字化、自动化、智能化装备和技术；同时地下工程的运维监测检修数字化、智能化程度亟需提高。

2.1 地下空间探测面临的地质问题

目前城市地下空间探测需要解决的主要地质问题有：地下地层结构、岩土特征、岩体物理性质探测；基岩风化结构探测和围岩等级划分；活动构造（活新层）探测；地质灾害（岩溶、塌陷、地裂缝、土洞等）的精细定量探测；液化地层、湿陷性黄土地层探测；地下水赋存状态，分布特征、导水构造探测；冻土地基结构探测；盾构开挖工程的超前预报探测；水域下方地质探测等。以上城市地下空间问题的解决需要新的物探手段和方法的融合。

2.2 地下空间探测方法面临的问题

地下空间探测方法面临的地质问题主要有：单一方法探测，缺少有效的多方法联合处理；仅仅综合解释，缺少对其他地质信息的融合；探测过程中干扰多，噪音消除问题；缺少深层信息与浅层联合解释；表层激发接收条件差；采集速度慢数据密度小，处理结果失真等。

2.3 解决方案展望

数据采集以高密度、快速采集，通过数量换取质量由二维向三维方法发展，通过不规则观测系统采集或者无人机采集，地震波及电法等多方法集成，综合采集。发展人工智能综合数据处理方法及系统，通过云端为客户提供处理服务，以用户数量的增加来降低软件及服务器的开发运行成本；云平台集成光纤、噪声、特殊数据处理技术；云平台同时可搭载测试数据、钻探数据同相关地球物理探测数据换算技术，实现由探测的物性参数转换为工程力学参数、含水率、污染程度等。

3 结论

城市地下空间的有效安全开发利用，使得地下空间精细探测得到了巨大的发展机遇，与此同时也向地质工作者，尤其是城市物探工作者提出了严峻的挑战［8］。通过对目前城市地质精细探测所涉及的各类地球物理探测方法的适用性和优缺点的总结，展望了城市高质量发展过程中探测方法的发展方向。