0.   引言

随着经济快速发展，城市地下空间不断被开发，城市道路下方的部分土地和原有发育良好的地层环境逐渐发生了变化。在路面上部荷载、工程振动以及动水条件作用下，道路下方土层中逐渐产生空洞、疏松区等地下病害，这些病害向上发展至地面即形成道路塌陷^[1]。道路塌陷事件直接影响到了道路交通的安全运行，对城市形象产生了负面影响。物探技术能够探查道路出现塌陷的具体原因，并进一步针对道路出现的问题提出具有针对性的解决方案。

目前，可用于地下空洞探测的方法主要有高密度电阻率法、瞬态面波法、探地雷达法、微动法等^[2]。不同的病害情况对应于不同的探测方法，各个探测方法又具有各自的优势。李世念等^[3]针对以空洞为代表的典型道路病害体，开展充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟工作，获得两种不同填充类型空洞的三维雷达数据体，对数据体不同方向的图像特征进行分析；龙慧等^[4]采用二维地震和高密度电阻率测深结合的方法精细刻画了工作区200 m以内地层结构和断裂构造空间展布特征，构建了三维可视化地质结构模型；司有强等^[5]介绍了GPR和瞬态面波仪在道路空洞探测方面的发展和应用现状，提出了目前仪器探测存在的问题，并针对目前的问题指出了未来无损探测技术的发展方向。城市道路地下空洞的探测具有工程环境复杂、地面干扰因素多、检测效率要求高等特点，因此上述方法并不都适用于城市道路地下病害的探测。相比之下，瞬态面波具有效率高、结果直观、解释简单等优点，是目前城市道路地下空洞探测中最常用的方法。

本文首先对瞬态面波的基本原理、探测方法进行介绍，然后利用瞬态面波对含地下病害并已经塌陷或产生沉降的道路进行检测，通过地基波速试验检测结果分析不同异常情况在瞬态面波图像上的反映，为处理道路安全隐患提供了及时准确的数据资料。

1.   表面波法理论基础

1.1   基本原理

面波是一种沿介质表面传播的弹性波，由地震波干涉产生，最早由瑞利（Rayleigh）预见而得名。瑞利波又称表面波或面波，它沿介质二维表面扩展，一般波长越长可测到的深度越深。面波可以通过多种方式在地基中产生，局部的冲击是最常用的方法，主要用来探测地基分层、各层的性质和土体中的缺陷。利用面波原位测试方法能获得地基表面波的弥散速度曲线，而弥散曲线与地基土层厚度、剪切波速密切相关，剪切波速V_s是土动力学的重要参数。小应变幅情况下所测剪切波速能直接反映静剪切模量G，而土的抗剪强度与剪切模量G密切相关。

1.2   面波瞬态探测方法

面波探测分为稳态和瞬态两种方法，本文主要利用瞬态面波法。面波频谱分析的瞬态测试法起始于20世纪80年代，由于该方法具有测试时对结构无破损、测试简单快捷、工作量小、能够一次获得与深度有关地层面波速度参数的特点，通过反分析可以得到地表下相关土层参数等，如今已广泛应用于岩土工程现场测试中。

面波瞬态测试法布置如图 1所示。根据面波在上硬下软成层地基中的传播特点，利用反分析法，可以从面波速弥散曲线获得道路下的各层的剪切波速等信息。

图  1  面波瞬态测试法布置图

Figure  1.  Illustration of transient surface wave test method

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面波速度能反映某一频率、深度为半个波长的地层的物理力学性质，勘测深度随频率增大、波长减少而减小；随频率减少、波长增大而增加。最后利用反分析法计算得到剪切波速和土层深度的关系。

现场测试时在一条测线上可以一次性布置多个传感器，如图 2所示为直线布置（根据现场具体而定）。通过分析不同间距的两传感器信号，可得到不同深度处土体剪切波速。例如，首先分析传感器1和2信号得到浅层土的参数（土剪切波速，或是否有空洞及位置），再分析传感器2和4信号得到深层土的参数，这样一次测试就可以得到所需的所有信号，大大提高了现场测试速度。

图  2  测线布置示意图

Figure  2.  Schematic diagram of survey lines

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面波法的测试深度与震源的激振频率相关，测试较深处土质情况需要低频信号，浅层地质情况则需要高频信号，主要是通过调整激振锤的方式来实现。

激振的方式有以下3种：人工用铁锤锤击铺在地面的橡胶垫；采用三角架手葫芦提升夯锤到一定高度，然后自由落锤冲击橡胶垫；小型挖掘机提升较重的夯锤至一定高度，然后落锤冲击橡胶垫。上述方法适用的大致测试深度分别依次为10 m左右、20 m左右、超过30 m。

2.   工程实例

2.1   工程概况

杭州市某道路位于杭州市滨江区，其中局部路段发生路面塌陷病害，下沉位置位于路段靠右侧的机动车道和非机动车道，面积为30 m²左右，产生约20多m长的裂缝，最深处下陷0.8 m左右。为了解塌陷坑下方的地基状况及邻近区域的受影响程度，需要对路基进行地基波速试验，评估道路地基状况，从而为后继道路的修复提供科学依据。

2.2   探测方案及依据

如图 3所示，现场设置三条测试线，以便于全方位检测路基状况。测线1布设在塌陷区东侧道路，靠近道路中心线附近；测线2布设在塌陷区南侧的混凝土硬化施工平台处；测线3布设于已经进行道路表面开挖处理的塌陷区处。测试仪器采用CRAS测试系统，测试通道数4道，通道间距3~8 m不等（根据现场实际调整），最长测线长度50 m。传感器采用高灵敏、低频响压电加速度计。

图  3  测线平面布置

Figure  3.  Layout plan of survey lines

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震源采用人工锤击激励，排列布置时震源、检波器在同一直线上。传感器道间距根据采集数据的预分析及时调整，分析频率范围为200 Hz。进行瞬态面波法检测后，分别对3条测线得到的探测结果进行分析。

当前土层的剪切波速测定后需与钻孔得到的土层波速进行比较，若当前测量土层波速小于标准波速，则说明该层土层内存在空洞或土质疏松区。标准波速数据采用距离测量区较近的杭州地铁工程勘察相关数据，见表 1。

表  1  各分层剪切波速

Table  1.  Shear wave velocities of soil layers

深度范围/m	土层名称	标准波速Vs/(m·s-1)
0.8~1.9	素填土	132
1.9~4.2	砂质粉土	152
4.2~7.4	砂质粉土夹粉砂	172
7.4~14.4	砂质粉土	185
14.4~28.9	淤泥质粉质黏土	112

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2.3   探测结果与分析

（1）测线1

通过对测试数据的系统分析，并和各深度土层的标准波速进行对比，得到路基及其下部土层剪切波速与对应深度的关系曲线。图 4和图 5为测线1的土体剪切波速和对应深度的特性曲线。

图  4  测线1-1地基深度与剪切波速的关系

Figure  4.  Relationship between depth and shear wave velocity of line 1-1

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图  5  测线1-2地基深度与剪切波速的关系

Figure  5.  Relationship between depth and shear wave velocity of line 1-2

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根据测线1的2组测试数据显示，路面、路基垫层和天然地基土的分界在路面下2.5~3.2 m位置，路面、路基垫层的剪切波速在210~247 m/s之间，下卧地基土剪切波速在测的深度范围（最大测深约20 m）内比较均匀，波速在161~200 m/s之间。且激励与响应的相干函数正常，波速-深度曲线无异常变化，波速范围与表 1大致符合。

（2）测线2

图 6和图 7为测线2的路基及下部土体剪切波速和对应深度的特性曲线。

图  6  测线2-1地基深度与剪切波速的关系

Figure  6.  Relationship between depth and shear wave velocity of line 2-1

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图  7  测线2-2地基深度与剪切波速的关系

Figure  7.  Relationship between depth and shear wave velocity of line 2-2

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根据测线2的2组测试数据显示，路面、路基垫层的剪切波速在210~271 m/s之间，下卧地基土剪切波速在测的深度范围（最大测深约15 m）内比较均匀，波速在151~191 m/s之间。且激励与响应的相干函数正常，波速-深度曲线无异常变化，波速范围与表 1大致符合。

（3）测线3

图 8和图 9为测线3的路基及下部土体剪切波速和对应深度的特性曲线。

图  8  测线3-1地基深度与剪切波速的关系

Figure  8.  Relationship between depth and shear wave velocity of line.3-1

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图  9  测线3-2地基深度与剪切波速的关系

Figure  9.  Relationship between depth and shear wave velocity of line.3-2

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测线3路面和路基垫层已开挖，测点布置在天然地基土上，其东段如图 8所示，土层剪切波速在95~194 m/s之间，波速曲线呈上硬下软形态。测线3西段如图 9所示，地基经振动泵振捣作业后，下部粉砂土液化严重，所测到的波速较低，所测得深度范围内波速在73~127 m/s之间，在地表下约3.5 m范围内的波速小于100 m/s，可能存在土层疏松病害。

3.   结论

根据现场勘测情况以及地基波速试验检测结果，可以得出以下结论。

（1）对杭州市某道路的局部塌陷区域进行面波检测后，通过对比各深度剪切波数据与已知土层剪切波速数据，测线1和测线2的波速-深度曲线无异常变化，波速范围符合规范推荐波速特征值范围。

（2）测线3为塌陷道路结构层开挖后的区域，本区段平均波速较低，地基土强度低，地表下4 m左右地基土波速开始增强但仍小于地基土标准波速，说明4 m内存在土体疏松的情况，给出的建议为部分区域进行注浆加固，部分区域清除表面碎石换填即可。

（3）通过工程实例可以看出面波能够准确识别道路地下病害，图像直观、经济快速，能够确定出具有工程灾害诱因的缺陷，为道路的养护维修提供充分的科学依据。