上海某道路地下病害体探测及评价分析

李永强，陈子申，刘 康

（中煤（西安）地下空间科技发展有限公司，陕西西安 710100）

0 引言

近年来国内发生过多起道路坍塌事件，严重影响城市道路正常运转，危及人民生命财产安全，并给城市形象造成诸多负面影响，因此事故多发区域的道路病害评估预警工作迫在眉睫。而物探方法常用于道路病害勘察，本文使用探地雷达法结合地震映像法、瞬态面波法对上海市闵行区某道路进行地下病害体探测，通过地下病害体与围岩的弹性及电性差异，识别出了空洞的位置，说明在该地区使用探地雷达法结合地震映像法、瞬态面波法来寻找地下病害体是有效的。

1 研究区概况

上海市闵行区位于长江三角洲堆积平原地区，地层主要由厚达二三百米的第四系和下伏的新近系疏松沉积层组成。第四纪，闵行区经历了五次不同范围的海侵和海退现象，海退后留下了多条古河道，形成了七期由粉土、砂、砾石等组成的古河道遗迹。然而，第六期和第七期的古河道沉积物主要为灰色砂质粉土和粉砂，易发生地下病害和塌陷。另外，浅层地下病害主要与排水管道老化破损有关，常见于道路，并部分影响广场和居民区。沿海、沿江和河道等堤岸地基易受冲刷和水土流失影响，也容易引发地下病害。在地铁盾构、顶管和深基坑等地下工程施工过程中，也会对深层地下产生一定的影响和地下病害风险。

2 地球物理探测方法介绍

2.1 探地雷达

探地雷达是向地下介质发射高频脉冲电磁波，通过电磁波在地下传播的规律对地下结构队及介质特征等进行研究的探测方法。只有对电磁波在复杂的介质中传播规律进行了深入研究，才能得到地下有效信息。图1 所示为探地雷达探测基本原理，图中发射天线向地下发射电磁波，接收天线在地表接收从地下传来的回波。因为，在介质中传播的电磁波，当遇到介电常数不同的两种介质或被测目标体，其一部分电磁波会反射回地面，并被探地雷达所接收，并加以分析、研究。由于介质形态不同，电磁波传播的路径、波形等就不同，所以根据电磁波传播的时间、波形、振幅等资料，就可以分析出地下目标体或者界面的空间位置。

图1 探地雷达工作原理图（反射法）Figure 1 Schematic diagram of ground penetrating radar working principle（reflection method）

2.2 地震映像

地震映像又称地震多波勘探，这是由于它所利用的有效波不是确定的一种，而是根据具体情况选取一种或多种。地震映像法最大的特点是它每道地震记录都采取同样的偏移距，而采集之前如何选择最佳偏移距也是地震映像法的重中之重。在工作中，每激发和接收一道地震波，激发点和检波器都沿测线方向移动相同的距离，进行下一道的激发和接收，以此类推直到完成整个测线的数据采集工作，最终得到一条地震剖面图。地震映像法以锤击或放炮的方式产生震源，由于其测点密度较大（点距小），所以也叫高密度地震法。

2.3 瞬态面波法

瞬态面波是利用人工震源瞬间激发产生多种频率的瑞雷地震波，在地面按一定偏移距和道间距布设检波器，采集记录瞬态震源激发产生的面波，求取地下一定深度范围内介质的面波速度，并结合其频散曲线特征，分析地下病害体性质、位置及埋深等的一种浅层地震勘探方法。

3 工程案例

3.1 现场布置

根据现场条件，为了能够有效反应该道路区域地下情况，探测时尽量利用有限工作空间，避开路面障碍物及周围铁磁性物体干扰。首先采用200MHz 8通道阵列式三维探地雷达进行探测，然后对异常点采用160MHz 二维雷达复测，并辅以地震映像法、瞬态面波法验证，其中地震映像法采集采用100Hz检波器，道间距0.2m，偏移距采用2m，采样间隔均为0.05ms；瞬态面波法数据采集采用100Hz高频的检波器接收面波信号。野外数据采集过程中未采用滤波方式，以保证各种波型的接收，便于后期资料处理。

3.2 探测结果

基于上述的技术原理及工程布设，对该道路进行了相应的探测。图2 为三维雷达探测、二维探地雷达复测的成果剖面图，红框标志处反射波组形态表现为倾斜板状，同相轴向左下方连续延伸，界面上形成强振幅反射能量，反射多次波特征明显。初步推测为空洞，深度约0.6m，平面尺寸约为4.40m×1.80m。

图2 二维雷达、三维雷达探测成果Figure 2 Two-dimensional radar and three-dimensional radar detection results

为了验证探地雷达的探测成果，采用地震映像法、瞬态面波法对该处异常作了辅助验证。图3 为地震映像法探测结果，路面结构层的同相轴连续，但红框标志处附近的同向轴由连续分为上、下两段，上端为上凸弧形、下端下凹近似水平，故推测该处为空洞，其平面尺寸约为4.2m×0.70m，洞顶深约0.36m、底深约0.90m，空洞中心点位于测线7.5m。图4 为该处异常的瞬态面波探测成果图，测线9.0～13.0m 位置下方为前期探地雷达探测及地震映像显示存在地下空洞，空洞顶埋深0.38m，空腔高度约0.6m，空洞下方伴随有土层疏松，空洞顶部面积约5.1m2。在测线10.0～12.0m 空洞位置下方存在明显的低速异常，面波速度要显著低于其它位置。

图3 地震映像验证探测成果Figure 3 Seismic imaging verification of detection results

图4 瞬态面波验证探测成果Figure 4 Transient surface wave verification of detection results

后经钻探验证，该处异常确为空洞，深度0.57m，平面尺寸为4.40m×1.80m，平面发育规模约7.92m2。

4 风险评价

在对上述道路地下病害体探测完成后，应根据病害体规模、深度、危害程度、病害周边环境，从地下病害体引发事故的可能性和后果严重程度两方面综合评估其风险水平，并进行风险分级。在风险评估过程中，针对所评估地下病害体，应综合考虑病害体周边地质条件、设施、人员、事故等因素，最终得出病害体的风险等级。

4.1 评级方式

根据上海市工程建设规范《城市地下病害调查技术标准》，地下病害体风险评价宜按式（1）计算：

式中：R为地下病害体风险评价分值；RA为病害体形状指标；RB为病害体埋深指标；RC为岩土体条件指标；RD为邻近地下设施指标；RE为所在位置指标；K为地下病害体类型系数，当病害体投影面积≥2m2，取1，当病害体投影面积＜2m2，病害体类型为脱空或空洞取1.0，富（集）水体取0.8，疏松体取0.7。

当风险值R在0.8～1 时为1 级风险，表示发生可能性及其危险极大。在0.4～0.8 时为2 级风险，表示发生可能性及其危险较大；在0.2～0.4 时为3 级风险，表示发生可能性及其危险较小；在0～0.2 时为4级风险，表示发生可能性及其危险极小。

4.2 评价结果

通过对上述案例中地下病害体探查与现场风险因素调查，引起该路段空洞的原因主要是道路路基施工、开挖铺设地下管道施工等产生的回填土不密实，路基土在自重、固结沉降等作用下逐渐密实，地基土与路面刚性板之间形成空洞。该空洞体面积约为7.92m2，深度0.6m，周边存在DN600 排水管道，排水管道内部存在少量结构病害。根据相应的取值计算得出地下病害体风险评价值R为0.955，得出该病害体风险发生可能性等级为1 级，建议立即开挖回填处理，处理后进行处理效果检测，待处理效果检测结果良好时，再投入使用。

5 结论与展望

通过本文的研究，得出以下几点结论：

1）采用综合物探技术手段，结合局部验证的方法能较好地探明地下塌陷隐患区域的分布情况，可以预防更大规模塌陷事故的发生。

2）本文仅列举了地质雷达、地震映像及瞬态面波三种相对探测效率较高的物探方法，在遇到对上述三种方法干扰较大的场地时，应结合采用其他本文未涉及的物探方法，如高密度电法、微动探测等方法。

3）对道路内探测已知的空洞进行风险评价，得出该病害体风险发生可能性等级为1 级，建议立即开挖回填处理，以免塌陷引起人员伤亡等事故。

综合物探技术在城市道路病害探测中的应用还有很大的发展潜力。未来可以进一步优化物探技术的组合方式，提高探测精度和效率。同时，结合人工智能和大数据分析等新技术，可以更好地解读和利用物探数据，为城市道路的维护和管理提供更科学、智能的决策支持。