基于高密度电法的城市道路地下病害体综合探测技术与应用_王庆.pdf

第 卷 第期 ，年 月 ，：基于高密度电法的城市道路地下病害体综合探测技术与应用王庆，朱超（广州诚安路桥检测有限公司，广东 广州 ；重庆市市政设计研究院有限公司，重庆 ）摘要：为了提高城市道路地下病害体综合探测效果，研究基于高密度电法的城市道路地下病害体综合探测技术与应用。使用高密度电法，在已知研究区域概况以及城市道路地下病害形成原因基础上，进行勘探研究。研究结果表明，使用该方法能够准确确定土层厚度、岩层与土层之间的界线，较为准确地探测城市道路地下岩溶裂隙带以及断裂破碎带位置，提高了探测效果和探测直观程度。根据高密度电法探测以及钻孔实际探勘后显示，研究区域西南位置道路地下存在塌陷病患，形成原因主要是人为布置下水井以及管线渗漏造成水土流失形成塌陷；研究区域东北方地下存在断裂病害，由天然地质变化导致。关键词：高密度电法；城市道路；地下病害体；综合探测；岩溶裂隙；断裂破碎带中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）引言城市中建设了大量的市政道路、地下轨道交通等基础交通设施，在地质变化和人类社会活动影响之下，城市道路地下发生病害的情况越来越严重，路面塌陷、地下管道断裂或渗漏的情况时有发生，危害城市居民的正常生活，也会对政府形象造成负面影响。针对市政道路可能出现的地下病害体情况，众多学者都作出相关探测技术的研究。李法滨等 设计一种探测系统，针对城市道路地下病害做出跟踪探测，该方法能够有效检测城市道路地下病变情况，但是该方法需要构建系统，过程较为复杂，且呈现效果不够直观；郭士礼等 提出使用探地雷达探测城市道路中可能存在的地下病害隐患。该方法根据采集的数据绘制反射波图像，分析城市道路地下情况，但探测深度极为有限，受地下地质水文影响较大，无法满足所需探测深度要求。高密度电法是一种物探技术，将呈现稳定状态的电流施加在地表，通过分析电流在地下的传导规律获得土层与岩层的结构变化。通过阵列测量获取大量地下岩土信息数据，结合计算机技术绘制图像，直观呈现出岩土断层变化效果，具有较高辨识度，能够较为准确地探明地下存在的溶洞，还能够较为敏感地捕捉到地下潜在断裂构造，有效提升岩土分析结果的质量与精确度。基于该技术较高的勘探效率以及较低使用成本，近年来在涉及民生地质的地下探测以及路面地下病害探测等方面获得良好的使用效果 。另外，该技术同时利用电剖面与电测深技术，是一种综合性较强的勘探方法。本文开展城市道路地下病害体综合探测，以高密度电法作为基础，探讨高密度电法在实际道路病害探测的应用效果。研究区工程地质概况 地质概况研究区域位于我国南方某省，交通运输发达，城收稿日期：；修回日期：第一作者：王庆（），男，工程师，主要从事桥隧工程质量检测、地下病害体探测、超前地质预报、地基基础、基桩等工程检测等工作。：通信作者：朱超（），男，硕士，主要从事地质勘察、桥梁设计加固等工作。：引文格式：王庆，朱超基于高密度电法的城市道路地下病害体综合探测技术与应用矿产与地质，（）：市道路交通繁忙，按照地层情况被划分为岩溶平原，地形走势西高东低。该城市处于亚热带，受到亚热带季风气候影响，全年降水充沛且气候潮湿，空气含水量较高。该城市道路地下所蕴含的水源主要为降水对地下水的补给，每年月为降水量较大时间段，这段时间的降水量占全年总降水量的 以上，统计数据显示，该时间段平均年降水量约为 。该区域年平均水分蒸发量约为 ，降水量远大于蒸发量，因此气候较为湿润。这些大气降水一部分根据地表沉降等变化向含水层下渗，一部分直接转换为地表水汇聚到江河之中。地下水主要呈现出潜水动态特征，对于降水与地下水变化较为敏感，受到地下水影响，呈现出岩溶发育特征。研究区域土层上部主要为圆砾、粉质黏土等，下层主要为砂屑灰岩与藻屑等。岩层存在天然断层，以南北方向延伸断裂。城市道路地下病害体主要形成原因受到岩溶区域影响以及非采空区域道路病害影响，城市道路地下病害成因包含多个方面的影响因素，主要包含人为因素与自然因素两个方面，根据城市建设不同阶段的需求，两种主要影响因素对于道路病害影响存在明显差异，各类主要因素对于道路地下病害影响特征见表。表道路地下病害体主要因素 主要因素影响方式造成病害的主要因素作用主体土质组成病害基础路基回填与压实度不足、地下水发生严重变化、没有严格控制路基填料人为因素与自然因素水文作用水土 流 失，出 现 严 重 水 质 恶化，静、动水相互作用过度集中降水、地表水排放较差、过度人工抽排水、地下管线出现严重渗漏人为因素工程作用路基性质恶化大量地下工程、地面车辆超载、地下管线与构筑物出现严重破损人为因素环境因素土体流失、潜在空洞沉降不均匀、存在淤积水囊人为因素与自然因素）土质组成影响因素。道路地下病害主要受到地质条件作用影响，城市道路中下方土质组成结构比较复杂，不同地理地质条件土质组成差异较大，人为因素影响下，过度开采以及工程建造等活动，造成土层与岩层出现明显承载力不足的情况，此时极为容易出现路面塌陷。）水文作用影响。作为自然环境重要组成部分之一，是直接造成道路地下病害的关键因素。从水体动力学作用角度可以将水体作用划分成静水与动水两种作用，静水作用之下土体承载力降低，土体出现空洞、疏松等情况，动水作用主要是由于地下水变化以及动水流动的作用。无论是何种作用，皆影响土体出现空洞等道路病害。）工程作用影响。地上以及地下施工都会直接影响岩层和土层的基本结构，影响道路主要工程内容包含地下管线开挖埋设、地下工程施工、路基建设等工程建设。工程建设阶段质量控制不严以及开挖、回填等工作操作不规范、回填土体存在缺陷等多个因素都是导致道路地下病害形成的人为原因，较轻病害为地质结构变化（疏松、富水等），较重病害就会直接导致道路破坏甚至塌陷。）环境因素影响。城市路面地下结构较为复杂，燃气、电力、给水、排水、通信等管线的布设，城市建设造成的路面开挖，降水或者干旱导致的路面积水或缺水情况出现。城市建设需要经常对城市路面进行开挖或者注浆回填，这些施工过程为保证工程质量通常会不断加固，但是路面开挖已经对地下土体结构造成严重破坏，回填土体也不能保证完全恢复土体结构，而且回填土体结构复杂，除原有土体结构以外，还包含工程残渣，这些成分都会影响道路地下岩层情况。管线、管道在地下受到土体挤压，出现渗漏破裂，水体冲刷土层导致水土流失，污染并侵蚀土体，严重影响地下土体结构，造成病害隐患。综上分析能够看出，城市道路地下病害体的出现主要是人为因素所导致，其中除了管理规划不当导致的影响因素以外，还有技术不佳导致的工程质量不达标等情况。出现地下病害的原因不是单一某个因素导致，多数是综合多种因素混合影响，多种混合影响导致地下出现空洞、塌陷、断裂等情况，今后工程建设中加强规划与运营管理手段，使用人为干扰手段，降低道路地下发生病害的可能。第 卷第期王庆等：基于高密度电法的城市道路地下病害体综合探测技术与应用物探技术方法 高密度电法探测技术原理高密度电法也被称作直流电阻率法，经过该方法检测之后获得的结果是研究区域地层的电阻率断面图，该图像属于二维图像。高密度电法的工作原理流程见图。使用高密度电法检测路面地下病害时，根据土体和岩体各自存在的不同电性差异，在地下构建稳定状态的直流电场，该电场通过人工布设的多道电极以及多芯电缆来提供，极距间隔与电极组合方式在实际使用时都具有自身差异，为平衡该差异需要使用多路电极转换器，该转换器是一种程控式结构，同时该转换器还能够完成自动供电、记录与观测，使用该设备能把土体和岩体的电阻率变化规律确定下来，由此获取路面地下病害情况以及地质结构。该方法在数据采集过程中会利用多种仪器设备，分别为多路电极转换器和高密度电极器等。高密度电法工作过程中勘探需要实现对称四极测深测量，所用设备是一种数字直流继电仪。使用这些仪器获得研究区域路面地下情况相关数据之后，输入到计算机中，在计算机端开展预处理，转换数据并且对数据内容作出校正，最终实现等值断面图的绘制，绘制完成后还需要开展二维反演，依据研究区域的实际地质情况深入分析，针对图像内容作出详细解释。图高密度电法工作流程 物性特征由于使用高密度电法检测路面地下病害时，需要根据土体和岩体各自存在的不同地球物性特征，构建稳定状态的直流电场，因此在使用高密度电法前需要先研究区域道路地下岩土结构的电性差异。经过研究获得的该研究区域地球物性特征如下：使用钻孔技术收集研究区域的地下土层数据，数据分析结果表明，研究区域中的覆盖层厚度较低，不足，通常情况下基岩埋深不足。表为岩层及土层的电阻率统计结果。表电阻率统计参数 介质类型电阻率（）变化范围平均值黏土 裂隙灰岩 完整灰岩 由于填充介质差异，岩土层中的空洞结构经常存在较大差异，地下介质的电性受到地层变化、岩土发育差异等影响导致区别较大，电性界面也具有严重差异，这种差异形成较为良好的地球物理前提，便于本文使用高密度电法对研究区域城市道路地下病害体开展综合探测。城市道路地下病害体综合探测 城市道路地下塌陷病害探测 工程部署同时使用钻探与高密度电法检测研究区域西南方位置地下病害情况，分析该区域地质背景与病害隐患。在研究区域路段布置高密度电法所使用的探测线路，线路分为线和线两条线路，这两条线路的垂直距离为。测线的相关参数信息见表。探测工程线路部署图见图。表工作参数与测线信息 参数号线号线长度 采集层数层 采集道数道 点距 方位（）矿 产 与 地 质 年图城市道路塌陷病害体综合探测工程部署图 岩溶断裂带水井，塌陷位置钻孔 探测线路（每条线上的虚线为测点）高密度法探测区域 地下塌陷病害探测结果在号测线 的测点位置布置钻孔 ，使用钻孔探测道路地下土体和岩体的特征情况，结果见表。图为使用高密度电法勘探研究区域道路地下后获得的结果。结合表可知，研究区域黏土层的电阻率范围为 ，由图 可见，距离数值越大，绿色范围越大，也就证明土层厚度逐渐增加，相比于其他位置，测点 的距离范围之中的电阻率值 波 动更加明显，对照表中 岩 层 最 高 的 平 均 电 阻 率 为 ，图 中最高电阻率仅为 ，两者相比测线的电阻率更低，综合两条测线数据可以推断 的距离范围之中存在塌陷情况。表岩体与土体特征 钻孔深度岩体特征农耕用腐殖土，呈现孔隙发育，主要用于地表绿化带植物种植淤泥质土，由于研究区域的降水较多，地表水下渗严重，因此该阶段土层黏性较高，同时还包含有机质与具有较高可塑性的黏土 微风化灰质岩，受到溶蚀作用影响，该岩土层呈现出显著弱发育状态，深度在 范围上下以及 上下出现明显溶蚀裂隙发育图高密度电法反演结果岩土结构断面 第 卷第期王庆等：基于高密度电法的城市道路地下病害体综合探测技术与应用结合表的 钻孔数据分析结果可知，该 的距离范围之中土层属于岩溶裂隙发育段。图 中高程在 、距离为 的范围之中电阻率值变化较为规律，高程为 、距离为 的范围中电阻率值较低，综合表中 探头探明的岩层与土层变化规律确定该测线范围中同样为岩溶裂隙发育段。综合研究表与图中的相关数据及电阻率值可以判断研究区域地下存在塌陷病害。依据以上高密度电法及钻孔实际勘探研究发现，研究区域道路地下存在一个较为明显的岩溶断裂带，实际路面规划设计时，在该区域布置一个下水井。已有研究表明，路面下水井位置由于地势较低，常年受到雨水浸泡，极易形成塌陷空间，大量统计数据表明，越靠近水井附近越会形成较为严重的地下塌陷。综上分析，可以确定该研究区域的路面地下塌陷病害是由于下水井及地下岩溶裂隙带共同作用所导致的一种地质结构。道路地下详细结构情况见图。图地质结构模型 下水井在路面发挥排水作用，大量水在该区域汇集导致整体地下水动力条件的改变，易于形成地下结构塌陷，详细分析过程如下：由表可知，使用钻孔勘探该研究区域发现 的土层厚度范围中主要为绿化用耕植土与淤泥质土，与硬塑形态的黏土不同，该类土体较为容易出现破坏情况，基岩和地下水位的埋深分别为 和 的深度。下水井在该区域发挥排水作用，影响地下水位变化，淤泥质土层与灰岩之间容易出现水位波动，路面极为容易出现腐蚀形变，严重时路面直接出现塌陷。该区域长时间汇集水体，造成水力梯度升高，地下水的机械溶蚀作用上升，这也在一定程度上提升