黃申碩，陸占國，林立松，惠亞娜

(北京桔燈地球物理勘探有限公司，北京102200)

一、引 言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市公共安全問題也自然而然地成為關(guān)系國計(jì)民生的重大課題。早在2006年3月，“The Leading Edge”雜志社，就發(fā)表過“Geophysics and Public Safe”(地球物理與公共安全)專集。對休斯頓、堪薩斯、圖森、佛羅里達(dá)等區(qū)出現(xiàn)的淺層斷裂系、落水洞形成及不均勻沉降所產(chǎn)生的城市工程不安全因素及探測方法作了較詳盡的介紹與討論。

近年來，我國各地城市公路塌陷、建筑物倒塌類報(bào)導(dǎo)屢見不鮮，已引起政府及有關(guān)方面的高度重視。應(yīng)當(dāng)指出，城市地下縱橫交錯(cuò)的管線(每戶平均六條)為城市居民生活帶來了極大的便利，為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了不可估量的貢獻(xiàn)，但是也同樣對城市工程的公共安全造成了不少的隱患。

首先，城市的管線會(huì)產(chǎn)生老化破損，特別是自然因素和人工因素所造成的工程力學(xué)環(huán)境惡化，其破損速度會(huì)不同程度地加速。破損的管線尤其是供排水管線的破損，泄露的廢水又會(huì)掏空地下基礎(chǔ)建筑，產(chǎn)生空洞、水溝等，造成公路與建筑物塌落，釀成生命財(cái)產(chǎn)損失的災(zāi)難性事件。

其次，城市地下管線的開挖、回填，往往會(huì)使原有工程條件發(fā)生變化，而變化著的工程地質(zhì)條件，又往往會(huì)扭曲、損壞管線?？梢哉f城市的管線密布區(qū)，可能是城市公共安全必須重點(diǎn)防范的區(qū)域。

綜上所述，城市地下管線探查，不能僅僅停留在“分布狀況”與“精準(zhǔn)定位”上，非常有必要與工程物探密切配合，使其在城市工程公共安全保障中發(fā)揮更大作用。

二、地下管線探查中的功能擴(kuò)展

地下管線是現(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，精準(zhǔn)勘查地下管線的平面位置、高度、埋深、走向等空間要素，建立地下管線的信息庫，是現(xiàn)代化城市管理的重要工具。以往的地下管線探測，基本目的局限于管線本身的空間分布的精準(zhǔn)空位，很少涉及管線所處空間的工程地質(zhì)條件及變化。因此，常用的探測方法以電磁感應(yīng)類為主(從金屬探測器到地質(zhì)雷達(dá))，少數(shù)情況也沿用某些常規(guī)物探方法(充電法、磁法等)。目前用于管線測量的方法、儀器，需要兼顧工程物探，其功能必須予以擴(kuò)展:

1)勘探深度應(yīng)從3～5 m，擴(kuò)展到10～20 m。

2)使用多種方法，充分利用巖土的物性參數(shù)(電阻率、介電常數(shù)、密度和彈性模量)的不均勻性分布，精細(xì)描繪周圍空間的工程地質(zhì)力學(xué)狀況，以查找空洞、斷層等不安全隱患。

多種物探方法與儀器，有可能在地下管線探測中起到重要作用，如瑞利面波地震法、MHz級探地雷達(dá)、地容耦合式電阻率部面法、三分量動(dòng)態(tài)瞬變電磁方法等。然而，由于地下管線探測區(qū)的特殊性——強(qiáng)干擾，作業(yè)區(qū)狹小而局限，大多分布于建筑物群落之中，因此，選用的方法，儀器應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)高效輕便、抗干擾能力強(qiáng)、無損檢測(最好是動(dòng)態(tài)連續(xù))等特點(diǎn)。下面簡單介紹幾種可能的方法和儀器:

1.三分量動(dòng)態(tài)瞬變電磁儀DNT-32

動(dòng)態(tài)納米瞬變(DNT)是一個(gè)快速多通道TEM數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，是常規(guī)時(shí)間域電磁法的改進(jìn)，測量的時(shí)間早于常規(guī)TEM儀器，最快速采樣在發(fā)射機(jī)關(guān)斷后1μs左右，定位精確，并且動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測，整套系統(tǒng)集成了快速的發(fā)射關(guān)斷和高速采樣。

2.抗干擾偽隨機(jī)電法儀GAEA10

以往的電(電磁)法儀器，多以累加平均(或積分)方式消除隨機(jī)分布的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，與人類活動(dòng)有關(guān)的噪聲(電磁、振動(dòng))雪崩似地增大，而且形式五花八門，僅靠常規(guī)抗噪手段無法奏效，甚至適得其反。因此，桔燈公司開發(fā)研制了以偽隨機(jī)編碼及互相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型的電法儀器，經(jīng)過近一年的試驗(yàn)，表明其抗干擾力極強(qiáng)，可在高壓線密布的城區(qū)取得可靠數(shù)據(jù)(如圖1所示)。

圖1

通過發(fā)射機(jī)向地下發(fā)送偽隨機(jī)編碼的電流波形信號，接收機(jī)接收發(fā)射出的偽隨機(jī)電壓信號，通過數(shù)字信號處理得到大地響應(yīng)函數(shù)。數(shù)字信號處理過程順序是:首先對發(fā)送信號作自相關(guān)處理得到發(fā)送信號的大地響應(yīng)函數(shù)，對接收信號作互相關(guān)處理得到接收信號的大地響應(yīng)函數(shù)，分別對發(fā)送信號和接收信號的大地響應(yīng)函數(shù)做快速傅里葉變換，得到各頻點(diǎn)下信號的實(shí)部和虛部，從而得到發(fā)送信號和接收信號的幅頻特性曲線和相頻特性曲線;然后用接收信號的相頻特性曲線減去發(fā)送信號的相頻特性曲線，就得到各頻點(diǎn)的絕對相位值;最后用接收信號的幅頻特性曲線除以發(fā)送信號的幅頻特性曲線，再乘以物探上的裝置系數(shù)K，即可得到視電阻率。

3.電阻率剖面法

電阻率剖面法，對地下電性分布的不均勻狀態(tài)，反應(yīng)靈敏，一直是工程物探中常用的方法;但常規(guī)電阻率剖面法，使用向地下埋入電極進(jìn)行測量的方式，在城區(qū)無法實(shí)施。幾年前，國外研發(fā)了一種電容耦合式的交變電流(15 kHz)電阻率剖面儀器，以便在淺層物探中實(shí)現(xiàn)無損動(dòng)態(tài)測量，國內(nèi)幾個(gè)單位也做了類似的研究，預(yù)計(jì)很快就會(huì)有商業(yè)化儀器設(shè)備面市(如圖2所示)。

三、城市工程物探中地下管線的影響

在城市進(jìn)行工程物探，除了嚴(yán)重的干擾及作業(yè)區(qū)受限等因素之外，地下管線的存在大大增加了工程物探的難度。

1)地下導(dǎo)線大多是金屬物件，導(dǎo)電性極好，它不僅表現(xiàn)出強(qiáng)烈的異常反應(yīng)，成為工程物探的強(qiáng)干擾法，而且會(huì)使激勵(lì)場(電場、電磁場)的分布嚴(yán)重畸變，無法用現(xiàn)有的概念對觀測資料做出準(zhǔn)確解釋。

圖2

2)地下管線密布區(qū)，也是城市公共工程安全敏感區(qū)，避開工業(yè)已存在的地下管道進(jìn)行工程物探，在城區(qū)基本上是不可能的，解決以上難題，不是一兩項(xiàng)技術(shù)或者一兩種儀器就可奏效的，需要進(jìn)行長期的多方面的實(shí)踐與研發(fā)。

為此，在城市進(jìn)行工程勘探，必須與地下管線探測等緊密結(jié)合，在充分查找管線分布及管線類型的基礎(chǔ)上巧妙地施以其他物探方法，并綜合管線狀態(tài)做出合理的解釋，才能取得較好的結(jié)果。在管線分布十分密集區(qū)，為了減小淺層管線的影響，也可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行淺部測井或管線以下的電法勘測工作(如將測量一端供電電極置于3 m以下)。

四、結(jié)語與建議

城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，城市公共工程安全事故的頻頻出現(xiàn)，將促使地球物理體系中的兩個(gè)分支——地下管線與城市工程物探高度融合，甚至渾成一體，應(yīng)當(dāng)是經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的必然;地下管線與城市工程物探的科技工作者，不論是自學(xué)還是被迫，都應(yīng)當(dāng)相互交流，相互補(bǔ)充，融合成一個(gè)高技術(shù)、高效能的服務(wù)平臺，為城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的公共安全服務(wù)保駕護(hù)航。

桔燈公司作為一個(gè)地球物理探測的服務(wù)機(jī)構(gòu)，愿意為實(shí)現(xiàn)這種科學(xué)的“融合”搭建平臺，提供信息，提供產(chǎn)品，提供各項(xiàng)力所能及的服務(wù)。

略)