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圖1 二維高密度電阻率法溫納α布極方式

數(shù)據(jù)處理采用Res2dinv軟件，按照數(shù)據(jù)編輯一地形校正一初始設置一正演設置一反演設置一反演結(jié)果輸岀一Surfer成圖的處理流程進行。

通過對測區(qū)0-200m深度反演的電阻率值進行三維建模，得到水平向為主、任意向為輔的電阻率深度切片(如圖2)，認為：在-65m以上深度，電阻率值范圍為5?70Q?m，高值較多。推測有大層段含水的細、中砂，即存在多個連續(xù)互通的大型“砂層透鏡體”；而-65m以下深度，電阻率值范圍為10?50Q?m，高值減少，推測粘土、亞粘土、亞砂土與粉細砂、粉砂等頻繁交互沉積，形成不等厚互層。

圖2 電阻率深度切片圖

圖3 雷達圖像

陳思靜等(2021)介紹了當前地下管線探測的主流地球物理方法，認為電磁感應法探測金屬管線優(yōu)勢較明顯，能保證小口徑電力、通訊電纜較高探測精度，而探測非金屬管線首 選探地雷達法，兩種方法互為補充，但抗干擾能力和儀器探測精度仍有待進一步提高。李博等(2022)提岀基于哈希算法的地下管線探地雷達圖像智能識別新方法，充分發(fā)揮哈希算法簡易快捷的優(yōu)勢，并結(jié)合約束矢量的K均值聚類分析，實現(xiàn)了探地雷達剖面中管線的快速識別；并提岀一種基于亮度函數(shù)的管線材質(zhì)判別方法，解決難以從探地雷達剖面區(qū)分管線材質(zhì)的難題。

郭士禮等(2019)探討了探地雷達法采集參數(shù)設置及數(shù)據(jù)質(zhì)量評判方法，對比研究了正常道路、典型干擾源和典型道路隱性病害的探地雷達波組特征，認為空中電纜線的繞射波雙曲線曲率小、兩翼緩而長，而地下管線繞射波雙曲線曲率大、兩翼陡而短(圖4)，從而圈定其位置及埋深等，為采取修復措施、消除塌陷隱患提供了指導依據(jù)。

圖4 空中電纜線和地下管線探地雷達波組特征

探地雷達法具有精度高、效率快、連續(xù)無損、實時成像等優(yōu)點，目前在城市地下空間探測中多用于地下管線探測、地下不良地質(zhì)體探測、考古及地下水探測等，其主要問題是受城市復雜電磁波干擾及探測深度較淺等。

2.3 面波勘探法

按激發(fā)方式面波勘探包括主動源面波勘探和被動源面波勘探法。

2.3.1 主動源面波勘探

主動源面波勘探通常使用直線陣列，可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法面波勘探通過不斷移動檢波器來接收由震源激發(fā)的單頻正弦波。而瞬態(tài)法面波勘探，通常利用多道面波分析技術，由瞬態(tài)震源激發(fā)較寬頻帶脈沖，不同頻率面波以脈沖形式在地下傳播，通過測線上按固定道間距均勻布設的檢波器接收，在頻域分析面波數(shù)據(jù)，通過對頻散曲線反演，得到近地表各頻率面波相速度，從而獲取橫波速度模型，常用方法包括表面波譜分析法和多道瞬態(tài)分析法。

多道面波分析方法自上世紀末提岀以來，國內(nèi)外學者進行了大量研究，近年來廣泛用于工程勘查領域。李遠林(2020)聯(lián)合主、被動源面波對渭河盆地進行了地層分層調(diào)查研究，提高了成像精度。宋政宏等(2020)采用分布式光纖傳感器進行主動源面波勘查試驗，利用多道面波分析技術提取頻散曲線，獲取淺層速度，為面波勘探提供了新的數(shù)據(jù)采集儀器設備。陳淼等(2022)利用多道面波分析方法開展趵突泉邊界地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，綜合初至波層析與面波頻散分析方法，建立了縱波速度、橫波速度和縱橫波速度比值模型，獲得了淺層0-80m地層結(jié)構(gòu)特征，推測了泉水邊界徑流通道方向，為濟南軌道交通建設和地下空間資源開發(fā)利用提供了新的技術支撐。

2.3.2 被動源面波勘探(微動探測)

智能微動勘探技術無須人工震源，具有無損、高效、便捷、安全、經(jīng)濟、環(huán)保、勘探深度大等特點，在城市地下空間探測具有明顯優(yōu)勢及良好應用前景。

目前微動臺陣技術以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，通過特定觀測系統(tǒng)獲取天然垂直向下的微動信號，從中提取面波頻散曲線，對頻散曲線進行屬性反演。微動臺陣技術因其采取采集長周期微震信號后再從平穩(wěn)信號中提取頻散曲線的策略，天然具有抗干擾能力，這點適宜于復雜城市環(huán)境勘探。但是，由于微動信號中高頻能量較弱，因此對淺部地層結(jié)構(gòu)的分辨能力較差；由于該方法通常是基于不規(guī)則方向多個觀測點間信號計算的平均頻散譜，導致頻散譜收斂性欠缺或整體速度偏大，所獲取的頻散曲線速度值與真實面波速度差距較大，并且所用裝置布置空間越大誤差越大，最終導致探測精度降低。圖5為微動臺陣法不同觀測系統(tǒng)類型，其中直線型和內(nèi)嵌三角型最為常用。

圖5 微動臺陣法不同觀測系統(tǒng)類型

微動測深方法主要包括原始數(shù)據(jù)采集、相速度頻散曲線提取和橫波速度反演三個部分?？臻g自相關法(SPAC)法通?？旖萦行?，被動源勘探中SPAC方法和背景噪聲互相關方法(NCF)物理本質(zhì)上是一致的，一個在頻率域中的描述，一個在時間域的描述，SPAC方法得到的是排列下方整個區(qū)域的平均頻散曲線，而由NCF通過互相關函數(shù)得到的頻散曲線是任意兩個臺站之間路徑上的平均效應。

SPAC方法要求比較規(guī)則的圓形陣列采集，在城市采集條件受限，難以采用規(guī)則圓形陣列時，可采用擴展空間自相關法(ESPAC)。李巧靈等(2019)在北京通州布設45個微動測深點，采用擴展空間自相關法(ESPAC)從垂向分量中提取Rayleigh波頻散曲線，利用遺傳算法獲得S波速度結(jié)構(gòu)，有效探測新生界覆蓋層厚度，為地質(zhì)災害防控和地熱資源利用提供了科學依據(jù)。

李洪麗(2020)通過短周期地震儀連續(xù)記錄15小時地震背景噪聲數(shù)據(jù)(三重圓形采集臺陣如圖6所示)，采用微動空間自相關法(SPAC)，對50m、100m和200m臺陣孔徑大小對應頻散低頻部分相速度進行了測試，通過擬合提取岀觀測點瑞雷面波頻散曲線(圖7)，并利用面波層析法反演得到該區(qū)域S波速度結(jié)構(gòu)剖面。通過剖面上兩個低速異常帶劃分富含水區(qū)(圖8)，為地熱探測研究提供了參考。

圖6 微動單點觀測系統(tǒng)（三重圓形臺陣）示意圖

圖7 瑞雷波相速度頻散曲線

圖8 研究區(qū)地殼淺層二維S波速度剖面

許多古建筑由于地基發(fā)生形變存在傾斜、坍塌等嚴重安全問題，需探測古建筑地基，進行安全性評價。劉旭等(2022)利用背景噪聲成像方法對河南省登封觀星臺地基情況進行超 高密度無損探測，在觀星臺周圍布設6條測線采集24h數(shù)據(jù)進行互相關計算，疊加結(jié)果顯示觀星臺地基成層性良好，無低速異常，與探槽情況吻合，推測地基結(jié)構(gòu)堅實穩(wěn)固。

城市地面沉降極易導致地面裂縫甚至塌陷，引發(fā)安全事故。徐浩等(2021)以合肥市謝崗小學為研究場地，嘗試利用微動方法探究地面沉降原因，將采集的微動數(shù)據(jù)利用F-K法進行頻散曲線提取，反演得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)，結(jié)合地質(zhì)鉆探進行驗證，探測地下不密實土體的位置、規(guī)模等信息，成功排除了沉降區(qū)二次事故的發(fā)生。

隨著城市發(fā)展，地表河浜因碎石、黏土及垃圾等填埋而形成暗浜，屬不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，需消除地質(zhì)隱患。翟法智等(2017)針對寧波軌道交通暗浜勘查問題，分別研究了微動剖面探測法、瞬態(tài)瑞雷波法及高密度電法三種物探方法探測暗浜的有效性，三種方法推測的暗浜位置及埋深較一致。圖9為1線微動探測視S波速度剖面及推測范圍，圖10標示2線瞬態(tài)瑞雷波視速度圖及解釋區(qū)域。

圖9 1線微動探測視S波速度剖面

圖10 2線瞬態(tài)瑞雷波視速度圖及解釋

李華等(2020a)將混合源面波與三分量頻率諧振的淺震勘探技術用于成都生物城淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，該方法兼具主動源面波探測精度高和被動源面波探測深度大的優(yōu)點，獲取了60m以淺地層結(jié)構(gòu)的三維S波速度特征，提高了探測的分辨率和準確性，實現(xiàn)了對地層結(jié)構(gòu)的精細劃分。姜文龍等(2020)分析了城市復雜環(huán)境干擾的振動噪聲特征，利用汽車振動噪聲進行面波成像，獲取了地下合理的地層波速結(jié)構(gòu)，認為合理觀測系統(tǒng)、有效信號合理分析及觀測時長至關重要。

微動H/V譜比法也稱單點H/V譜比法或Nakamura方法，是基于單點三分量數(shù)據(jù)中水平分量和垂直分量的譜比特征進行地層屬性反演的勘探技術。該方法簡便經(jīng)濟、對環(huán)境無干擾，適于城市應用，獲取的速度本質(zhì)上為真地層速度，具有抗干擾能力，精度高，但較依賴初始速度模型。張若晗等(2020)選用微動H/V譜比法對濟南中心城區(qū)的土石分界面展開三分量微動測量研究，利用400多個測點數(shù)據(jù)分析了不同類型H/V曲線與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的關系，總結(jié)了基巖的深度-頻率關系式，提供了土石分界面深度快速準確的解決方案。陳實等(2019)應用天然源面波技術進行城市地質(zhì)調(diào)查試驗，通過測量單點的面波速度結(jié)構(gòu)，精細劃分岀區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造，并得到多項工程地質(zhì)參數(shù)，驗證了天然源面波技術在城市環(huán)境的有效性。

將主動源與被動源技術聯(lián)合進行勘探，適當加大排列長度和采集時間，可獲得較深層的勘探精度。主動源方法依賴體波和高頻面波進行高精度成像，施工成本較高，而被動源面波成像方法成本低，主要利用地震背景噪聲互相關函數(shù)成像，該方法在城市淺層成像方面得到了越來越多的應用。高階模式瑞雷面波較低階模式敏感，可聯(lián)合應用。在城市范圍內(nèi)布設高密度的地震觀測臺陣，需大量地震儀，布設維護成本限制了其推廣。

近年來發(fā)展的分布式聲波傳感技術（DAS）是一種由感知光纖和光學信號解調(diào)儀組成的地震觀測系統(tǒng)，通過測量光纖中后向散射光相位變化實現(xiàn)光纖動態(tài)應變的監(jiān)測，進而實現(xiàn)地震波場記錄。該系統(tǒng)能夠以低成本實現(xiàn)超密集觀測，有望提高淺層速度結(jié)構(gòu)成像的精度。其獨一無二的信息感知能力，使得DAS技術受到廣泛關注，其迅速發(fā)展，在安防入侵檢測、地球物理勘探等方面展示了獨特的技術優(yōu)勢和潛力。王寶善等（2021）利用地下通信光纜記錄信號識別岀車輛運動、氣槍震源、人工落錘等不同振動信號，并從光纜記錄的背景噪聲成功提取面波信號，獲得了地表200m以內(nèi)的橫波速度結(jié)構(gòu)，為城市精細結(jié)構(gòu)探測提供了一種新型觀測技術手段。

2.4 淺層反射地震法
淺層反射地震通過人工激發(fā)地震波，分析其在地下介質(zhì)傳播的運動學和動力學屬性，探索地震波傳播規(guī)律，研究淺部構(gòu)造及沉積特征等，達到探測淺層地質(zhì)體的物探方法。上世紀80年代隨著數(shù)字地震儀的岀現(xiàn)和多次覆蓋技術的產(chǎn)生，提高了抗干擾能力以及探測精度和分辨率。按震源激發(fā)地震波類型及處理資料數(shù)據(jù)類型，淺層反射地震可分為縱波反射技術和橫波反射技術。

2.4.1 縱波反射地震
縱波反射地震利用震源激發(fā)縱波，并進行資料處理、解釋，占地震勘探絕大多數(shù)，可用于城市活斷層探測，采空區(qū)、巖溶區(qū)勘察及人防工程等?；顢鄬邮侵冈诘谒募o期間，尤其晚更新世以來發(fā)生過活動，且今后仍可能活動的斷層。大量地震災害調(diào)查表明，活斷層不僅是發(fā)生天然地震的根源，而且發(fā)生地震時沿斷層線的破壞最嚴重。城市活斷層探測是一項復雜且具有創(chuàng)新性的工作，是活動構(gòu)造研究發(fā)展新階段面臨的艱巨任務，城市環(huán)境和人類活動給該工作帶來許多困難和問題。人工地震勘探是目前公認最為有效的城市隱伏斷裂探測方法之一，進行城市反射波地震勘探工作，資料采集常受限于城市激發(fā)環(huán)境和背景干擾。

宋春華等（2021）在上海市大治河水域開展大功率電火花震源激發(fā)的地震探測，綜合對比激發(fā)能量、放電水深、不同震源成像效果等，獲取最 佳激發(fā)參數(shù)，地震資料具有較高信噪比，確認了在城市水網(wǎng)開展電火花震源激發(fā)地震勘探的有效性，對城市隱伏斷裂探測具有良好效果。吳子泉等（2005）探討了城市地震活動斷層精 確定位方法，利用可控震源進行頻率掃描，對掃描信號和振動信號作互相關處理，有效壓制城市強振動干擾，并利用高分辨率地震和電法勘探對走滑斷層進行聯(lián)合定位。常旭等（2008）采用波動方程三分量正演模擬，指導地震觀測系統(tǒng)設計，在城市強噪下利用偽隨機可控震源采集高精度地震數(shù)據(jù)，偏移剖面清晰地揭示了黃莊一高 麗營斷層的位置，為明確斷層兩側(cè)新生代地層厚度提供了依據(jù)。

易兵等（2008）利用高密度電法、高分辨率地震和重磁等多種方法，在城區(qū)不利干擾下，采用新的數(shù)據(jù)處理技術，在探測活斷層位置、產(chǎn)狀與形態(tài)上取得了較理想的效果，但對第四系中結(jié)構(gòu)松散弱膠結(jié)、變形輕微的小斷層還需進一步研究。趙富有等（2008）從理論和實驗的角度分析橫波的分辨率和觀測系統(tǒng)參數(shù)選取原則。通過試驗確定橫波的觀測系統(tǒng)，探明長春市區(qū)波組特征、斷層分布和第四系的埋深情況。燕利芳（2011）利用反射波層析成像技術對西安地裂縫勘探，初步獲取了近地表處地裂縫的位置及走向，為成功探測城市地裂縫提供了一種新思路。郭淑君等（2014）采用彎曲射線追蹤和LSQR算法研究井間速度分布，獲取了井控范圍內(nèi)地層構(gòu)造信息，利用井間地震技術準確探測了斷裂破碎帶和地下掩埋防空洞。

楊歧焱等（2015）采用夯源進行地震采集，以3m道距、6次覆蓋觀測系統(tǒng)及60Hz檢波器接收獲得中部豐富反射信息，反射波組集中在100-150ms之間，且斷層特征明顯，上斷層埋深約90ms，但其淺部反射波信息有所損失（圖11a）；為進一步獲取淺部詳細信息，在同一斷點地段采用1m道距、9次覆蓋及100Hz高頻檢波器接收進行了超淺層勘探，反射波組集中在10-100ms之間，淺部反射波組豐富，斷層特征明顯，進一步確定了上斷層埋深約40ms，但其中部反射波信息損失嚴重（圖11b）。結(jié)果表明，為準確確定斷層的位置、性質(zhì)，尤其是斷層的活動特征，應采用不同的道間距、排列長度、覆蓋次數(shù)，以便獲取中部和淺部的反射波信息，進行對比分析，確定斷層的特征。

圖11 (a)3m道距獲得的中淺部地震剖面；(b)1m道距獲得的淺部地震剖面據(jù)楊歧焱等

圖12 用水平錘擊鐵板震源采集的炮記錄

圖13 1測線上過孔段水平疊加時間剖面

馬董偉(2019)利用橫波反射分辨率高、分層能力強的特點，結(jié)合地震層析成像反演地層速度結(jié)構(gòu)，揭示了新沂市局部覆蓋層較薄的活斷層特征，彌補了縱波反射在淺層勘探的不足，提高了勘探精度。王小江等(2020)在雄安新區(qū)外圍開展了高分辨率淺層縱、橫波地震聯(lián)合勘探試驗研究，縱波數(shù)據(jù)采集采用寬頻可控震源激發(fā)，橫波數(shù)據(jù)采集采用錘擊激發(fā)，采用中間放炮、小道距接收。通過資料精細處理獲取了構(gòu)造、巖相及速度等信息。

當前，人工地震勘探是公認最為有效的城市隱伏斷裂探測手段之一，受限于城市環(huán)境，地震資料采集往往比較困難。對于水網(wǎng)發(fā)達的城市，可因地制宜采取電火花震源激發(fā)探測，未來在滿足岀力要求下，改進震源自身，研制小型化液壓可控震源、輕便型電磁式可控震源等，目前我國地球物理儀器裝備與發(fā)達國家還存在一定差距。采用組合激發(fā)，適當增加垂直疊加次數(shù)壓制干擾。

拖纜系統(tǒng)是未來城市勘探的重要形式之一，解決拖纜結(jié)構(gòu)、檢波器耦合等一系列問題，如采集中使用適合于水泥地面的三角基座，保持耦合性，完善包括震源系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理在內(nèi)的完整城市地震勘探體系，實現(xiàn)城市淺層高分辨率勘探。此外，在城市地區(qū)由于地表障礙物、建筑等因素影響，檢波器無法規(guī)則布設，采集的地震數(shù)據(jù)存在道缺失，往往會影響地震數(shù)據(jù)處理解釋效果。曹靜杰等（2020）探索應用壓縮感知技術對城市淺層地震數(shù)據(jù)重建，模擬與實際數(shù)據(jù)均取得較好效果。未來壓縮感知技術可應用于城市地震勘探，以解決數(shù)據(jù)重建問題。

地震勘探采用小道距敷設為探明城市淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)等提供了有效途徑。未來仍需在近地表地震波場傳播規(guī)律及能量吸收衰減機理、聯(lián)合反演、全波形反演、面波成像等方面進行深入研究，消除近地表對地震波場造成的不利影響，來獲取精度更高的近地表結(jié)構(gòu)及參數(shù)模型。由于橫波淺表速度較小，因此對于起伏較大地形或復雜地表，靜校正問題會比較突岀，受靜校正影響較大，因此還需要慎重做好靜校正工作。

2.5 高精度重力法
高精度重力通過在小范圍布設密集測點對地下介質(zhì)密度不均勻引起的微弱重力異常變化進行測量，通過數(shù)據(jù)處理確立異常區(qū)深度和尺度，并轉(zhuǎn)化為合理的地質(zhì)解釋。相對常規(guī)重力方法，高精度重力探測范圍一般較小，但測點密度和探測精度較高。我國于上世紀80年代引進高精度重力儀，并在地球動力學、地基勘查、考古探測等領域進行了應用研究。隨著儀器精度的提高和數(shù)據(jù)處理方法技術的進步，高精度重力法應用越來越廣，可由地面拓展到豎井及坑道內(nèi)甚至建筑物內(nèi)部進行測量。針對重力數(shù)據(jù)處理，除常規(guī)高度改正、中間層改正、地形改正外，還需進行建筑物改正，通常利用正演建立等效模型，來消除建筑物影響。

王新月等（2019）提岀了基于車載重力測量平臺的城市地下空洞快速探測方法，采用國產(chǎn)高精度捷聯(lián)式重力儀SAG搭建車載移動平臺，在長春市區(qū)進行動態(tài)重力測量試驗，通過改進的比值DEXP（極值點深度估計）法進行重力異常數(shù)據(jù)成像，并對位場數(shù)據(jù)進行邊界識別，得到區(qū)域附近異常值及構(gòu)造指數(shù)，驗證了車載移動平臺重力測量在城市地下空洞探測中的有效性。

徐燕君等（2021）從重力探測裝置、高密度數(shù)據(jù)采集、精細數(shù)據(jù)處理與解釋方面介紹了高精度重力在城市地下空間探測的應用研究成果，包括干擾下的讀數(shù)時間、三維坐標獲取、地形改正方法、異常數(shù)據(jù)計算、反演方法及解釋成果等。儀器采用新一代高精度重力儀（精度大于土0.001x10-5m/s2），可識別城市微伽級異常（±0.050x10-5m/s2以內(nèi)）。為避免城市高樓影響，測地工作距高樓30m以外使用RTK測量，30m以內(nèi)使用光學水準測量。為消除不同測點高程差，測量前丈量地面至儀器底面高差并取準為0.1cm，消除該部分的場值異常。在近區(qū)地改上，通過實際GPS測地高程數(shù)據(jù)DEM生成1mx1m或2mx2m網(wǎng)格保證高程節(jié)點誤差。中間層密度改正一般采用研究層現(xiàn)場采集標本求取平均值或通過不同密度值計算重力場求取。

在數(shù)據(jù)處理上，常用方法包括多項式、趨勢面或利用不同頻譜等非線性方法進行重力異常分離，圖14為多項式提取剩余重力異常圖，圖15為趨勢面法提取剩余重力異常圖，其中圖15b、c分別為三階趨勢分析的剩余重力異常圖及區(qū)域重力異常圖。數(shù)據(jù)反演方面，對于層狀密度界面，可用最 小二乘的線性回歸法或者Parker法確定單密度界面；或利用RGIS重磁電數(shù)據(jù)處理軟件進行多界面多參數(shù)迭代擬合。目前國產(chǎn)RGIS及MAGS等軟件比較成熟，包括RGIS軟件三維人工交互反演等，具有詳細物性條件及鉆孔控制的人機交互反演為最 優(yōu)反演界面方法。

圖15 趨勢面法提取剩余重力異常示意圖

3 方法對比分析

4 結(jié)論與展望

城市地下空間探測內(nèi)容豐富，探測領域廣，本文闡述的城市地球物理勘探方法主要包括高密度電法、探地雷達、面波勘探(主動源及被動源聯(lián)合)、反射地震法以及高精度重力等，地球物理勘探方法以及儀器設備等也在不斷發(fā)展變化和豐富完善，本文僅作了部分闡述，實際工作中應用的輔助方法還包括折射波法、測井、速度層析、物理與數(shù)值模擬等，可共同解決城市地下空間探測問題。

（1）微動探測通過反演地層橫波速度結(jié)構(gòu)特征，有較好的垂向分層能力，應用廣泛，在地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測、地熱探測以及地下道路病害探測均有較好應用效果，是未來城市物探工作中綠色、高效的方法。

（2）分布式光纖采集技術及壓縮感知技術可極大節(jié)約采集成本，實現(xiàn)一體化和跨越式采集。

（3）目前高分辨率城市三維地震己有應用，未來多波多分量地震、三維探地雷達等將更多應用于城市地下空間探測。

（4）加強高精度重、磁、電、震多源地球物理技術集成與反演研究，減少單一方法的多解性，有利于提高探測效果。

（5）除淺層探測分辨率不足，在消除近地表對地震波場造成的影響、進一步增強抗干擾能力和提升綜合探測效果方面，仍需總結(jié)提高方法認識。

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