0 引言

伴随城市化进程的飞速发展，有限的地上空间难以满足日益增长的城市建设需求（覃乃庆， 2002）。21 世纪是地下空间开发利用发展的世纪，纵观世界发达国家和中国城市建设的现状，向地下要空间、要土地、要资源，已成为现代化城市发展的必然趋势（王磊等，2022）。城市地下空间开发利用需要开展地下空间调查与研究，以查明地下空间的岩性分层、基岩面埋深及起伏、活动断裂、地裂缝、孤石、空洞、富水性等重要信息（何军等，2020）。

英国、法国、俄罗斯等国是最早开展城市地下空间调查、开发、利用与研究的国家，目前日本、新加坡等国家的城市地下空间开发利用程度较深、水平较高（Zhou and Zhao，2016）。中国的城市地质调查始于 20 世纪 60 年代，进入 21 世纪以来，以北京、上海、天津等大城市为试点相继开展了城市立体地质调查和综合评价，建立了城市三维地质模型和城市地质数据库，为城市规划建设和管理提供了重要的支撑（严学新等，2009；陈勇等，2010；庄文明， 2011^①；何曼丽，2014；常晓军等，2019；邢怀学等， 2020；赵怡婷等，2020）。

作为地下空间探测的主要技术手段，地球物理勘探（物探）具有环保少损和精密高效的巨大优势。受益于计算机技术的快速发展和城市地球物理研究的持续热门，近几十年电磁法、地震等新兴领域的物探理论日益成熟，仪器设备也愈发先进精密 （赵国泽等，2007；张雪梅和黄辅琼，2019）。国内外专家学者通过合理运用物探方法，在探测隐伏构造、地下水等目标体及岩溶、疏松体等不良地质体方面取得了非常好的应用效果（陈浩辉，2014； 张业，2021）。但由于地下空间探测实际工程可能因为地质情况的不同，地下岩溶、疏松体等不良地质体规模（或充填物）不同等，使得地下空间探测对物探方法也提出了更高的要求。每一种物探方法有其自身优势及局限性，因此针对不同工况下物探组合方法的最优选问题值得探讨（曹创华等， 2020）。

基于以上问题，本文选择了传统电法中的高密度电法、浅层地震中的面波法与地震映像法，以及国内新兴的SSP地震散射波法，分析其在铁路顶管、疏松体、地下空洞等城市浅层地下目标体探测中的应用效果。基于国内外学者对城市地下工程勘察物探方法的研究成果，笔者深入总结了各物探方法的优缺点，建立了不同工况下基于经济性和探测精度的推荐物探方法组合模式。

1 研究概况

本研究在已开展的铁路配套工程项目中选择传统电法中的高密度电法、浅层地震中的面波法和地震映像法、国内新兴的 SSP 地震散射波法进行有效性试验。综合分析各种物探方法在同一工况下对探测目标体的应用效果，同时总结不同工况下探测浅层地下空间结构的有效物探方法或方法组合，探测目标体类型及物探方法选择如表1所示。

2 物探方法介绍

2.1 高密度电法

高密度电法在原理上与直流电阻率法相同，也是一种以地下介质体的电阻率差异为前提的地球物理勘探方法，地层视电阻率 ρ_s计算如下（张先林， 2019）。

式（1）中 ΔU_MN 为电位差（mV），I 为供电电流 （mA），K为装置系数。

不同的是其采集形式改进为阵列式，即一次性布设几十甚至几百根高密度电极。高密度电法可以同时提供地下一定深度的横向和垂向的电性变化，具有采集效率高、地电信息丰富，全过程半自动化等优点（郭宇和李均山，2022；吴浩等，2022）。

本研究采用的是重庆地质仪器厂生产的 DZD-8多功能全波形直流电法仪。在正式测量前分别选用施伦贝尔、温纳、偶极-偶极等常用装置进行试验，确定出最适宜装置，长剖面进行滚动剖面测量。高密度电法原始测量数据以数字的形式保存，需要传入微机进行数据转换和处理。数据处理分为预处理、二维反演与成图。预处理包括坏点剔除、滤波、地形改正等步骤，高密度电法反演使用软件 Geogiga Rimager，反演方法为阻尼最小二乘法（图1）。

2.2 地震映像法

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种地球物理勘探方法，它是以相同的偏移距逐步移动测点接收地震信号，对地下地层或目标体进行连续扫描，从而来探测地下介质的变化（吴怡洁等，2019）。地震映像法具有地震波信息丰富、数据采集快、成果直观等优点，特别在以横向变化为主的单一地质体探测中精度极高。

本研究数据采集采用骄鹏仪器厂生产的 minisers 24 地震测量设备，数据处理主要步骤包括坐标参数编辑、预处理、能量均衡、频率滤波、时深转换。

2.3 面波勘探

瞬态面波法是利用瑞雷面波的频散特性及瑞雷面波与介质的物理性质的相关性，获得不同深度上介质的速度参数，推断地下界面的起伏变化、划定局部异常体的一种地球物理勘探方法（徐吉祥等，2022）。瑞雷波在地下传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，同一波长瑞雷波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长瑞雷波的传播特性反映不同深度的地质情况。

本研究数据采集采用骄鹏仪器厂生产的 minisers 24地震测量设备，采用一次激发、多道接收的工作方式，测点对应接收排列中点，震源点、检波点按照一定的间隔（点距）同步向前移动，以获得覆盖探测线路的连续面波数据。对按照一定间隔（点距） 采集的面波记录的多个检波器信号进行逐道频谱分析和相关计算，综合全部测点处理结果形成面波剖面成果图。数据处理主要步骤包括预处理、时间-空间域提取面波、建立频率-波数谱图、提取面波频散曲线、生成视横波速度断面、结合地质资料进行正反演拟合、绘制解释成果断面图。

2.4 SSP地震散射波勘探

SSP 地震散射新技术，是利用人工震源在地表激发地震波，通过接收地下非均匀介质内的反射与散射波对地质界面与地层波速成像，以展现精细地下构造（邵婕等，2016），如图2所示。地质界面图像反应岩性分层形态，波速图像反应岩土介质密实性与承载力等力学性状。该技术具有分辨率高、抗干扰性强、不破坏路面、不中断交通等优点，探测深度超过 50 m，适合城市道路与地下空间的空洞、塌陷隐患探测。

本研究使用的探测设备为北京同度工程物探技术有限公司生产的 RD scan 道路空洞探测系统，32 通道，24位 A/D，最高采样率156 kHz/ch。接收使用拖缆式检波器串，32 通道，间距 0.5 m；震源采用 TDIS3800 可控冲击震源，激发点距 1 m。冲击震源使用的参数为：重复频率1~5次/s，冲击时间50 s，冲击次数 150 次/点，冲击总能量为 15 kJ/点。数据处理采用SSP软件系统，理论基础是反射+散射混合模型，数据对象包括反射波和散射波。主要处理过程包括：观测系统坐标编辑、数据预处理、空间方向滤波、围岩波速分析、地质体偏移成像、剖面三维拼接、综合地质解释等环节。其中关键技术包括方向滤波、速度扫描和地质体偏移成像3个步骤。

3 应用案例

3.1 铁路顶管工程类

该研究区位于山西省晋中市榆次区龙湖西大街北侧，沿测线途径多条铁路线路，研究区范围内地层主要为第四系全新统人工填土层（Q₄^ml）、第四系全新统冲洪积层（Q₄^al+pl）。为查明顶管方向 15 m 以浅是否存在不良地质体（图3）、选择合理顶管施工位置，本次研究选用高密度电法和面波勘探法 （图3），点距均为 1 m。高密度电法选用温纳装置，隔离系数1~39，电极数120根，长剖面采用滚动测量方式。

a—WT2高密度测量视电阻率等值线图；b—面波测量波速等值线图；c—地质解译图

视电阻率成果整体呈高—中—低特征，反映了地表不均匀地质体的电性特征；在 58~75 m 呈现高阻低速异常，该处地表可见明显的塌陷，经调查该处为埋设的排水管道破裂；在 130~144 m 段埋深 7~16 m处有一高阻异常体，推测该处可能为孤石或其他高阻地质体。

3.2 道路病害探测类

研究区位于天津市津南区，研究的主要目的为查明路面下方以及管线周边土体是否存在不密实、空洞等病害异常，查明异常所在位置、大小、埋深等基本参数，确定可能病害体位置及范围。研究方法采用SSP地震散射波法勘探（图4）。

地震波速剖面显示埋深 6 m 以内波速小于 1500 m/s，推断为回填土覆盖层；埋深 6~20 m 内，波速 1500~1800 m/s，推断为全风化层；埋深 20~30 m 内，波速1800 m/s以上，推断为中风化层。地震偏移剖面中地层剖面连续性较好，剖面中段中部及右段深部表现为低阻抗，指示该段较为松散。在埋深2~4 m 范围内有低阻抗，在里程 100 m 处连接地表，推测此处存在疏松体（图4）。

a—宝源路测线地震波速剖面图；b—地震偏移剖面图

3.3 地下空洞体探测类

该研究区位于天津市宝坻区潮白河南岸小套扬水站（图5），该扬水站出水闸及出水涵洞由水泥形成，出水涵洞高2.7 m，宽2.2 m，该出水涵洞在未含水时可较好地模拟地下空洞。本次通过已知模型，主要对高密度电法装置类型及采集参数进行应用效果对比研究，以为该类型项目精细探测提供重要技术参数。

3.3.1 采集参数确定

已知钻探资料揭露该剖面浅部主要为素填土，岩性以粉土为主；下伏地层为粉质黏土；粉质黏土之下一般为粉细砂岩层，岩性以细砂、粉砂为主。本次高密度电法测线顺路的延伸方向近东西向铺设，近似垂直于泄水涵洞。选取的装置类型有温纳和偶极-偶极，测量点距、供电周期选取了不同的试验参数（表2）。图6展示了温纳装置不同点距、不同供电周期及偶极-偶极装置采集数据的视电阻率等值线断面图，效果对比非常直观明显。

温纳装置所反映的地层地电特征较为宏观，可划分为3个较为明显的电性层；偶极-偶极装置所反映的浅部地层信息较为丰富，较温纳装置垂向分辨率更高，所能反映的地电特征与已知地质信息更为吻合，便于资料解释。据此，本研究选择了偶极-偶极装置作为本次高密度电法勘查的工作采集装置，同时，继续开展温纳装置的不同极距参数试验，为确定最佳装置类型和极距提供技术依据。总结了高密度电法在不同点距、不同供电周期及不同采集装置下的勘探效果（表2）。

3.3.2 深度转换系数确定

高密度电法勘探深度涉及的因素较多，如测线长度、电极距、隔离系数等。目前高密度电法对深度的解释主要靠经验公式，一般经验公式（邢润林等，2019）为：

a—涵洞实际位置图；b～e—视电阻率等值线图

a—涵洞实际位置图；b～e—视电阻率等值线图；f—地震映像成果图

但在实际生产中，特别是对地下较小目标体进行高精度探测时，经验公式已无法满足勘探精度需求，本次结合泄水涵洞埋深对高密度电法浅部探测的深度转换系数进行了研究。图7展示了不同深度转换系数对目标异常体的埋深、规模及形态的影响效果：当深度转换系数为 0.5时，异常底部埋深为 2 m，异常规模小；当深度转换系数为 0.6 时，异常底部埋深为3.2 m，异常规模偏小；当深度转换系数为 0.8时，异常底部埋深为4. 0 m，异常规模适中；当深度转换系数为 1 时，异常底部埋深为 6. 0 m，异常规模较大。已知该出水涵洞洞高 2.7 m，实际测量顶部埋深 1.3 m 左右，换算到高密度电法测量剖面图上，其底部埋深应在4 m左右，所以只有深度转换系数为0.8时才与涵洞实际埋深相吻合。由地震映像剖面图可知，在33~38 m处波形同相轴明显错断，向上凸起，波组相位不连续，这是地下空洞的特征，埋深在4 m左右。

综上所述，地震映像法具有快速、高效、施工便捷的特点，但其测量的成果在纵向上深度误差较大；高密度电法成果更为直观，但其对场地要求较高，在铺设地段难以实施。在实际生产中，两种方法组合勘探，能进一步相互验证排除假异常，提高勘探成果的准确性。

4 综合研究

4.1 勘探方法分析

通过对不同工况下开展的试验探测方法的有效性和局限性分析，论述如下：

（1）高密度电法快速高效，对地下空洞（含水/不含水）、地下障碍物等电性差异明显的浅层目标地质体探测效果好，但对场地条件要求较高，需地形较为开阔，且不能是铺装地面。

（2）地震面波勘探和地震映像法分辨率高、施工效率高，对波速差异区分性明显，经升级改造的检波器可以适应铺装地面，受地形限制小。

（3）SSP地震散射波勘探具有分辨率高、探测深度大，抗干扰性强、实时成像等优点，可在城市道路勘探中灵活应用，但其勘探效率较低，勘探成本较高。

4.2 方法组合分析

方法组合采取综合物探方法及钻探方式，可细分以下 5 种探测方法：①高密度电法；②地震映像法；③地震面波法；④SSP地震散射法；⑤钻孔资料。根据各种物探方法和钻探特点，根据其施工经济性和勘探效果，对有效探测城市浅层地下空间物探组合方法总结如表3。

5 结论

（1）作为地下空间探测的主要技术手段，地球物理勘探（物探）具有无损环保和精密高效的巨大优势，在未来城市地下空间建模和不良地质体精细探测等领域拥有广阔的发展前景。

（2）物探方法因其原理和理论模型不同，适应的地质条件和对不同目标地质体的探测精度也会存在差别，实际应用中一般采用两种及以上的物探方法组合，在相互验证的同时可进一步提高探测精度。

（3）分析了各物探方法的优缺点，建立了在工况简单区、一般区及复杂区基于经济性和探测精度的物探方法组合模式，对推动城市地球物理探测发展具有重要意义。

注释

① 庄文明 .2011. 广州城市地质调查报告[R]. 广州：广东省地质调查院.

参考文献