三维城市建设中复杂环境下物探多方法组合的研究与应用

知自然

作者

面向实景三维城市建设的物探方法研究与应用

马海志，董书健，王思锴，李智，李添才，李芳凝，颜威，周玉凤，李世民

北京城建勘测设计研究院有限责任公司

作者简介：马海志，硕士，正高职高级工程师，全国工程勘察设计大师，主要从事轨道交通、特大型工程勘测技术研究和实践。

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通信作者：李添才，博士，教授级高级工程师，主要从事工程地质、地球探测与信息技术等领域工作。

导读：

为了实现地下空间的合理开发利用，必须开展相关的地质勘查工作。面对城市复杂条件，研究适用于实景三维城市建设的地球物理勘探方法，可以为地下空间的精细开发与管理提供有效的技术支撑。

为此，本文在梳理了城市复杂环境地球物理勘探方法应用研究进展基础上，提出了一种综合物探方法。在针对某老旧办公楼改造的案例实践中，由于现场条件限制无法实施钻探，作者利用多通道多频三维探地雷达系统、地震频率成像法和高密度微动探测技术，集成多源数据，探明了办公楼地下防空洞的分布，并揭示了地层结构、岩土分界面及地下建构筑物的状况。最终，构建了一个满足实景三维工程级精度要求的BIM模型。该模型融合了地面楼宇、地下管线、地铁和地质体等信息，可实现剖切分析和岩土力学模拟计算，为办公楼的安全改造和科学管理提供了重要依据。

应用实践表明，这种综合物探方法不仅涵盖了浅层、中层和深层的勘探，还融合了新型基础测绘技术，提升了城市地下空间探测的精确度与工作效率。

文章进一步提出，未来物探技术的发展趋势应聚焦于数字化智能化技术的进步，促进跨学科多专业的深度融合，助力实景三维数字中国建设。

基金项目：北京市科技服务业专项-基于实景三维的超大城市工程地质无损勘测技术研究与应用(20230467181)

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0 引言

1 城市复杂环境物探技术

1.1 高密度电法

1.2 探地雷达法

1.3 微动勘探法

1.4 地震频率成像法

2 综合物探方法应用实例

2.1 案例概述

2.2 探地雷达法

2.3 地震频率成像法

2.4 微动勘探法

2.5 多源数据融合

3 结论与建议

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0 引言

随着我国城市化进程的不断深入，向城市地下寻求空间、土地和资源已经成为现代化城市发展的必然选择。为了实现地下空间的合理开发利用，必须进行相关的地质勘查工作。现阶段二三线城市已开发到地下20m左右的深度，一线城市在30m左右，像北京、上海这样的特大城市已达到50m左右，还有的工程甚至开发到70m，这就对城市地下空间探测技术提出更高的要求。地球物理方法在城市地下空间探测、地下地质结构调查和地下填图方面具有不可替代的作用。常规的物探方法有高精度重磁法、电磁法、探地雷达法、高密度电法等，与常规物探工作相比，城市环境复杂、干扰因素众多，除了天然地质背景条件以外，还有各种人为干扰，例如地面建筑物覆盖、交通噪声及电磁波干扰等。

同时，随着地理信息技术及计算机技术的发展，测绘地理信息数据来源更加广泛，传统的二维测绘数据已不能满足城市规划的需求，实景三维模型因其视觉效果直观、信息种类丰富、模型可量可算等优点，在“数字城市”项目的推进过程中扮演着越来越重要的作用。目前，实景三维模型在国防安防、城市规划、智慧城市、环保监测、资源调查、虚拟场景旅游等多个领域有着广泛的应用。

本文梳理了城市复杂环境地球物理勘探方法应用研究进展工作及发展趋势，并综合运用多种物探方法、测绘技术，构建实景三维模型，为相关技术发展提供一定参考借鉴。

1 城市复杂环境物探技术

城市复杂环境的地球物理勘探主要是依据地质体地球物理属性差异来判断地质体和地下地质构造，这些属性包括重磁电震、放射性等，对应的主要技术方法包括：高密度电法、探地雷达、常规浅层地震(二维、三维)、广域电磁法，瞬变电磁法、井中地球物理技术(井中地震、井中电磁法、测井)、直流电法测深、天然被动源面波勘查、混合源三分量地震频率谐振勘探等探测方法。

我国自20世纪60年代起开始进行城市地下水、综合工程地质、环境地质和地质灾害勘查。80年代至今，我国在100多个城市中进行了综合地质勘查、地质论证、供水勘查、工程地质及环境地质勘查等方面的工作，基本探明了大区域尺度的构造特征，为城市规划、建设和管理提供巨大的帮助。进入21世纪以来，我国在北京、上海、广州等城市开展城市尺度的地下空间探测，利用综合钻探、高精度重磁、电磁法、地震勘探、测井等物探技术建立了城市三维地质模型和城市地质数据库。

在城市复杂环境下，一般采用高密度电法、探地雷达法、微动勘探法、地震频率成像法等物探技术进行地下空间的探测。

1.1 高密度电法

高密度电法基于地下岩石或矿石之间导电性能的差异，以区分不同的地质层或物质。由于在观测中采用了高密度的电极布置，也被称为阵列勘探方法。在实际操作过程中，通过一组电极向地下供电，另一组电极则用于测量产生的电压和电流。再通过引入装置系数计算出视电阻率值，便可以推断和解释地下的地质结构，从而达到勘探的目的。

近年来，随着技术的发展和仪器研发投入的增加，该方法在城市工程勘察、圈定含水层、坝基及桥墩选址、探测裂缝和空洞等领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。

尽管高密度电法相对于传统的电阻率法有所提升，但在城市应用中仍然面临一系列问题。首先，城市环境中存在很强的电磁干扰，380V的高压线能产生一个频率固定、持续时间长、强度较低的干扰，它会影响高密度电法的数据采集；然后，城市探测中电极与地面之间可能存在耦合问题，需要采用有效的接地方式保证设备的正常供电；此外，城市内建筑物密集、人类活动频繁、地上地下的管网复杂，布置测线的时候会受到环境和场地的限制。

1.2 探地雷达法

20世纪初期，国外学者提出利用地下介质的介电常数差异来探测地下结构，通过向地下激发几十到几千兆赫兹的高频电磁波，再根据接收到的反射波振幅、波形等信息，来分析、推断地下介质结构及地层岩性特征等。

20世纪60年代开始，探地雷达技术装备在矿井、冰川、地下水位探测领域进行实践应用。70年代以后，随着电子技术和计算机技术的发展，包括美国GSSI公司在内的生产探地雷达的厂家相继成立，商业化的全数字化探地雷达设备先后问世，具有代表性的雷达装备包括：美国GSSI公司的SIR系列雷达设备、加拿大Sensor&Software公司的PulseEKKO系列探地雷达、瑞典MALA公司的RAMAC/GPR系列设备、日本应用地质式会社OYO公司的Georadar系列设备等。国内的探地雷达应用及研究始于20世纪70年代，并在90年代起掀起了探地雷达应用与研究的热潮，中国地质大学物探系引进了加拿大的PulseEKKOⅣ型探地雷达并进行了溶蚀带、裂隙带和风化带等不良地质的探测工作，在贵州乌江东风水电站、天生桥二级水电站等水利水电项目中引进了日本应用地质式会社OYO公司的YL型、美国GSSI公司的SIR-8型等地质雷达，其有效探测范围20m。在引进国外先进雷达设备的基础上，煤炭科学研究总院重庆分院自主研发了国产地质雷达KDL系列及其探测技术，应用于成渝高速中梁山隧道、广渝高速公路华蓥山隧道等工程中。进入21世纪后，国内外学者针对探地雷达的系统噪声去除、多次波干扰压制、正演模拟、图像深度学习等关键技术展开攻关，探地雷达的应用领域也逐渐扩展到考古、灾害救援、冻土勘察、沙丘结构等方向。山东大学长期致力于探地雷达图像智能识别、数据去噪处理和应用实践研究等，在地质雷达全波形反演、偏移成像和病害智能辨识等方面取得了诸多有益成果。

探地雷达法具有高精度和高效率的特点，能够实现连续无损、实时成像。在城市地下空间探测中，它常用于地下管线探测、地下不良地质体探测、考古以及地下水探测等领域。然而，在实际应用中还存在一些问题需要解决。首先，城市环境复杂的电磁波干扰会影响探地雷达的探测效果。其次，探地雷达的探测深度相对较浅，无法满足一些深部探测的需求。此外，不同型号的探地雷达之间的数据类型和处理软件并不互通，使用起来不够方便。并且在一些特殊情况下，这些软件的处理效果还不能完全令人满意。

1.3 微动勘探法

微动勘探就是从地球表面随时随地存在的微弱振动信号中提取面波(瑞雷波)的频散信息，再进一步反演地下速度结构。因为微动勘探利用的是天然源振动信号，因而具有无损、抗干扰的优势，适合于城市复杂环境的地下空间探测。

根据获取野外数据的观测台站方式分为微动阵列方法和微动单台方法。微动阵列方法采用频率波数法(Frequency Wavenumber Method，F-K)或空间自相关法(Spatial Auto-Correlation Method，SPAC)从微动信号中提取频散曲线，进而反演获得地下横波速度结构。而微动单台方法则以三分量台站为观测基础，对水平分量信号与垂直分量信号进行傅立叶谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio，H/V)，以此估算沉积层厚度、获得共振频率以及场地放大因子等。

在城市浅层勘探中，陈棋福等(2008)在北京进行了地脉动背景噪声的阵列观测，并利用H/V谱比法获得了北京城区高分辨率的地下三维结构。王伟君等(2009)将微动技术应用于评估城市地震场地响应和浅层速度结构，通过H/V谱比法和F-K法分析得到了北京城区的卓越频率、放大系数以及浅层平均速度。张立等(2009)采用遗传算法对微动单台法得到的H/V谱比曲线进行了横波速度反演的研究。翟法智等(2017)分别使用二维微动剖面探测法、瞬态瑞雷波法、高密度电法三种物探方法探测暗浜，并与钻探结果进行对比，结果表明三种方法精度相近，而微动探测法兼具强抗干扰和天然场源的优势，更适用于城市强干扰条件下的轨道交通勘察。李巧灵等(2019)在北京城市副中心，采用扩展空间自相关法获得了瑞雷波的频散曲线，并且基于遗传算法反演得到了横波速度结构，勾画了主要地层结构。陈实等(2019)在乌鲁木齐城市地质调查中应用天然源面波技术精细划分出地层构造并完成了场地类型和场地土类型的划分。田宝卿等(2020)在青岛即墨区地热资源开发过程中利用迷你阵列微动探测方法估算了岩土层厚度并预测了土体热导率。张若晗等(2020)研究了微动H/V谱比曲线与地质结构的关系，并根据关系式分析了济南中心城区的土石分界面。李华等(2020a)在成都运用混合源面波与三分量频率谐振技术获得了地下浅层横波速度和波阻抗信息，再结合波速与波阻抗的差异性实现了地层结构的精细划分。姜文龙等(2020)分析了不同工况下环境振动的干扰并选取合适的方式进行压制，然后利用汽车振动噪声作为有效信号进行面波成像，得到了地下合理的地层波速结构。李洪丽(2020)采用SPAC方法和面波层析成像方法得到吉林某工区1000m深度以内的横波速度剖面，解释出两个富含水区，为地热探测研究提供了参考。徐浩等(2021)将微动勘探技术应用在探测地面沉降领域，以合肥谢岗小学为研究场地，有效探测出地下地质情况，确定出不密实土体的位置和规模，为预防沉降事故提供依据。刘旭等(2022)利用背景噪声成像方法对河南省登封观星台地基情况进行超高密度无损探测，验证了微动勘探技术在古建筑地基稳定性评价中的有效性。

1.4 地震频率成像法

地震频率成像法源于天然源地震技术，利用频率谐振原理来获取地下介质的结构和属性特征。每种介质都具有固有频率，这是介质本身的性质，与介质的大小、形状、质量、密度等属性相关。当周期性外力的频率与介质的固有频率相同或非常接近时，振动幅度会急剧增大，从而发生自激现象。通过观测被放大的固有频率信号，可以进一步分析地下的结构和性质。假设地下介质为一系列均匀层状介质，多层地下介质组成一个复合弹性体。在地震波传播过程中，可以观测到该弹性体的多模态共振频率。由于固有频率与各地质体的尺度(即地层厚度)和密度等因素有关，实际上可以通过固有频率获得地质体的厚度等信息，并通过反演得到各地质体的波速度、横波速度、密度等相关参数。最终建立函数模型、引入常规地震勘探的处理解释技术来反演地下介质不同地层的波阻抗和密度，结合钻孔标定，就可以实现地下目标地质体的高精度探测。

在实际应用中，通常选择长时间观测天然源信号的方式。这是因为地层本身的特征频率响应是不变的，而外界干扰则是时变信号。通过长时间的观测统计，可以有效地压制时变信号的干扰。同时，为了提高信噪比，需要进行多时窗信号叠加，并提取特征频率信号进行分析。

与常规地球物理勘探方法相比(表1)，地震频率成像法具有以下特点：首先，它不受地震波初至的影响，避免了人为拾取初至时间造成的误差；其次，它具有强大的抗干扰能力，不受城市中的电磁干扰影响，并且可以通过多次叠加技术很好地压制噪声干扰；第三，它的施工方便，采集设备可以单台或多台组成阵列布置在城市复杂环境中，一次性完成大面积的测量，工作效率较高；最后，它对密度性质敏感，具有较高的纵向和横向分辨率，探测深度约200m，最大深度可达50km。

表1 城市地下空间地球物理探测方法及效果一览表

2 综合物探方法应用实例

2.1 案例概述

本次案例以北京某老旧办公楼改造建设场地为对象，为解决办公楼地下防空洞勘察难题，综合运用多种新物探方法，联合测绘技术，建立了符合实景三维精度要求的地上地下三维BIM+地质模型，最终在平台上集成形成了拟施工区域地上、地下一体化模型。具体的工作包括以下几个方面：

(1)采用STREAM-UP多通道多频多极化高速三维探地雷达系统进行空洞探测，同时利用地震频率成像法和微动探测方法进行地层结构勘察。

(2)利用设计图纸建立地面地下结构BIM模型。

(3)利用管普资料建立地下管线三维模型。

(4)利用勘察和物探手段获取的地质信息，建立地层和地下水的三维模型。

(5)利用地铁隧道信息，将地铁隧道加入模型中。

(6)收集反映现状的倾斜摄影模型，建立施工场地区域地面和地下的三维模型。

构建的一体化模型不仅能反映现状和设计的对比效果，还能直观了解地面和地下施工的影响范围，了解地下地层结构、地下水位置、不良地质情况以及管线种类和位置分布等信息。这对于施工安全和质量控制具有较大的参考价值。

2.2 探地雷达法

考虑到探测深度、分辨率和作业效率，本次探地雷达采用了意大利IDSStream-UP车载三维地质雷达系统，该系统配备了5组200MHz和600MHz的阵列式天线。根据探测区域的实际情况，共布设了10条测线，总长度为2650m。图1展示了测线的路线图。从图2中可以看出，使用200MHz和600MHz的天线进行探测时，在探测范围内并未发现明显的空洞、脱空或严重疏松等道路病害。

图1 测线路线图

图2 三维地质雷达探测效果

2.3 地震频率成像法

本次地震微动方法采用了ALLSEIS-3C/4C检波器，该检波器内置了正交三分量高灵敏度地震检波器和高精度高频垂向检波器。整个探测区域共布设了18条东西向主测线，每条线的点间距为5m，线间距为5m，总长度为1820m；南北向有4条测线，每条线的点间距为5m，线间距为20m，总长度为320m。总共采集了23条测线，涉及面积约为10000m²，累计布设测线长度为2140m。其中，共设置了420个测点，每个测点的间距为5m，每个测点观测时间为20min，作业时间共计2天。图3展示了测线的设计图。

图3 测线设计图

通过天然源长时观测，获得了探测区域地下100m以浅的精细地层结构，如图4所示。在识别出的六个地层中，包括填土层砂质粉土层、砂卵砾石层粉质黏土层、新近系砾岩和新近系泥岩。此外，在新近系砾岩段内还进一步解释了1个泥岩透镜体，而在新近系泥岩段内则解释了2个砾岩透镜体。

图4 天然源频率成像解释剖面

2.4 微动勘探法

本次采用迷你阵列微动探测方法，设备采用SmartSoloIGUBD3C-5宽频三分量智能震动传感器，如图5所示。沿探测区域中的篮球场布置了测线，在两个篮球架之间设置了8个探测点，每个测点之间的间距为4m。

图5 微动勘探剖面观测系统

本文对微动探测获取的原始数据进行了基础性的预处理工作，这些步骤主要包括数据校正和归一化。在充分考虑起伏地表影响的前提下，计算了台阵中各探测点两两配对组合的空间自相关系数。通过精确拟合零阶贝塞尔函数曲线，成功获得了频散曲线，如图6所示。

图6 提取的面波频散曲线图

随后，利用已建立的经验公式，将所有微动探测点的频散曲线转换为视S波速度随深度变化的曲线。为了获取更为平滑且连续的速度分布图像，对这些曲线进行了横向和垂向的插值平滑处理，最终生成了视S波速度剖面图(图7)。

图7 视S波速度剖面

在详细分析视S波速度剖面图(图7)后，可以识别出两个显著的低速异常体。这两个异常体的视S波速度估计约为260m/s，明显低于周围地质体的速度，因此推测其可能为地下防空洞。进一步分析表明，这些异常体的横断面尺寸大致在2～3m之间，埋深位于7～10m的范围内。

2.5 多源数据融合

在完成地下空间探测后，结合详细的设计图和现有的地形图资料，本文构建了地上与地下建构筑物的三维模型。具体而言，图8(a)展示了现有保留建筑的建筑白模，该模型精确还原了建筑的外部形态和结构特征。此外，基于二维管线普查的详细数据，本文进一步通过精确的管线和管点参数设置，以及合理的附属设施模型资源分配，实现了从二维到三维的快速建模转换。图8(b)清晰地展示了地下管线的三维示意图，在这个三维模型中，集成了卫星影像、地表高程、建筑物BIM模型、地铁隧道BIM模型、地下管线、地质体模型、物探剖面和雷达剖面等多种数据源，并为后续的地下空间分析和规划提供了直观且准确的视觉支持。

图8 地上建筑及地下管线模型

图9 多源数据集成模型

3 结论与建议

本文介绍了高密度电法、探地雷达法、微动勘探法以及地震频率成像法在城市地下空间探测方面的应用情况，然后通过多种物探方法与测绘技术相结合，建立了某老旧办公楼实景三维模型，该模型成功地实现了高分辨率的详细展示。通过应用创新的物探方法，该模型能够动态、快速地进行勘察，进而在复杂的城市环境中精细地刻画出地下工程、地质结构以及地下水分布等关键信息。

在本文的研究过程中，笔者也总结出现阶段面向实景三维城市建设的物探方法主要存在以下几个问题：

(1)城市复杂环境的干扰：城市环境中存在大量的建筑物、道路、桥梁等基础设施，以及电磁干扰、噪声干扰等多种因素，这些都会对物探信号的采集和处理产生严重影响，使得探测结果的精度和可靠性降低。

(2)探测方法与技术局限：尽管物探技术不断发展，但现有的探测方法和技术在某些方面仍存在局限。例如，某些方法可能无法探测到特定类型的地下结构或物质，或者对地下结构的分辨率和深度探测能力有限。

(3)数据融合与解释难度：物探方法产生的数据往往具有多源、多尺度、多模态的特点，如何有效融合这些数据并进行准确的解释是一个挑战。此外，对于复杂的地下结构，如何准确识别并解释其物性参数也是一个需要解决的问题。

(4)成本与效率问题：物探方法通常需要昂贵的设备和人力投入，且数据采集和处理过程可能耗时较长。这导致在实景三维城市建设中，物探方法的应用成本较高，且可能无法满足快速更新的需求。

基于此，笔者提出以下建议以推动面向实景三维城市建设的物探方法进一步发展：

(1)大力推进技术攻关，向多种方法联合探测方向发展，取长补短、建立重磁电震等多方法、全方位、多要素集成的城市复杂环境物探技术体系。

(2)大力开展城市复杂环境地球物理勘探装备研发，推进复杂环境下数据采集与处理技术发展，提升采集速度、采集效率和数据密度，提高数据处理技术水平和质量。

(3)下一代城市物探技术将是以大数据、物联网、云计算、人工智能等技术为支撑的新一代智能化物探，应加强例如三维雷达属性体快速解释、人工智能空洞识别技术等技术的突破及应用。

(4)未来城市物探技术的研究要向无人化、无损化、定量化、多维化发展，为开发城市地下空间、构建高精度地质结构模型提供支撑。

(5)大力推动跨学科融合，加强不同学科间的合作，积极探索将物探新技术与测绘技术相结合，深化实景三维模型与城市数字化建设的融合。

致谢：感谢中科深源科技有限公司技术支持和田宝卿博士的指导，感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!