城市地下空洞检测理论与技术方法

城市地下空洞探测的理论与技术方法，记者：于林时间：2017.10.25，概述：1，2，3，4，城市地下空洞探测的必要性，地下空洞探测的理论方法，地下空洞探测的典型案例，4，城市地下空洞形成的原因分析，5，城市地下空洞探测的应用前景和经济效益，城市地下空洞探测的必要性，1，地下空洞的灾害表象(地表塌陷、墙体破裂等)。)；地下洞室灾害造成的损失和不利影响；政府相关职能部门高度重视1.1城市地下空洞灾害表象、1.1地面沉降、1.1城市地下空洞灾害表象、2墙体破裂、1.2地下空洞灾害造成的损失和影响。如果城市地下空洞灾害在首次出现时没有得到有效控制和及时管理，往往会进一步导致大规模地面塌陷，甚至会引发一系列严重的次生灾害，如地面建筑倒塌和基础设施损坏等，给城市带来诸多不利影响。(1)安全：道路坍塌、建筑物倒塌等灾害往往直接带来巨大的人员伤亡威胁；(2)经济方面：灾后地面建筑、基础设施的破坏和地面垃圾的处理将带来巨大的经济损失；(3)生活：交通线路、电力电缆等基础设施的破坏给城市居民生活带来了极大的不便，影响了城市居民的生活质量。(4)社会方面：道路塌陷、建筑倒塌和基础设施破坏给城市的面貌带来了很大的破坏，城市幸福指数下降，影响了城市的发展。1.3政府相关职能部门对此高度重视。近年来，由地下洞室引起的地面沉降事故频频发生。目前，全国有50多个城市遭受地面沉降灾害：2013年至2015年，深圳发生地面沉降事故579起，平均近两天内发生一起地面沉降事故1；2015年10月29日至11月16日，南京市宣武区北京东路在短短19天内经历了5次坍塌事故2；哈尔滨在20天内也发生了9起地面沉降事故3；地面沉降事故的频繁发生严重威胁着全国各地的经济建设和人民生命财产安全。许多政府部门对此高度重视，把探测和治理地下空洞作为防止地面沉降的主要手段。1人民网。1.3政府相关职能部门对此高度重视。2013年8月30日，深圳市政府办公厅下发地面坍塌事故防范治理专项工作方案的通知，建议市、区发展改革和财政部门继续安排地面塌陷防治专项资金，确保地面塌陷防治工作顺利进行。2016年12月3日，兰州市城乡建设局召开城市道路塌陷新闻发布会。兰州将城市安全地理信息系统纳入2017年城市建设规划，组织专业人员，投入专业设备，开展道路和地下管网综合检测，防止事故发生。各地区政府相关职能部门积极推进地下空洞探测，防止地面沉降灾害的发生。分析了城市地下空洞形成的原因，2、2地下空洞形成的原因总体上可分为自然地质因素和人为生产活动因素，具体可分为：(1)地表松散层或半松散层在重力作用下逐渐压实减薄形成空洞；(2)地下水长期溶解形成地下空洞；(3)大量地下水被开采，导致孔隙水压力降低和有效应力增加，导致含水层受压和形成孔隙。(4)地下人工管道(给排水)泄漏，造成冲刷和淋溶，形成空洞；(5)施工期路基或基础回填不密实(包括暗塘和暗沟)，因重力形成空洞；(6)松散土层因高压振动而液化三、城市地下空洞探测方法3、城市地下空洞探测的物理基础；3.1城市地下空洞探测的物理性质基础。地下洞室与周围介质之间存在着巨大的物理性质差异，如密度差异、导电导磁率差异、放射性差异等。(1)地下异常介质如地下空洞的密度不同于正常地层或介质，为地震波和重力勘探方法的实施提供了地球物理条件和探测可能性；(2)地下空洞等地下异常的电导率不同于正常地层或介质的电导率，这为电磁勘探方法的实施提供了地球物理条件和勘探可能性。(3)地下空洞等地下异常的磁性不同于正常地层或介质，这为实施高精度磁勘探方法提供了地球物理条件和勘探可能性。(4)地下异常(如地下空洞)的放射性不同于正常地层或介质，这为放射性测量方法的实施提供了地球物理条件和探测可能性。3.2城市工程物探方法简介，3.2城市工程物探方法简介，a)地震体波法，通过某个观测系统(图3是单阵列多覆盖观测系统)接收探测区域的回波信息，从而反演和推断探测区域的内部结构和构造的方法。主要包括反射波法、折射波法和散射波法，不同的方法可以使用纵波和横波。反射波法和散射波法对较小的反射界面都有明显的响应，适用于探测地下空洞和异常结构。折射波法在持久的构造界面上具有良好的反射性，通常用于追踪和探测基岩面。图3，单排列多覆盖观测系统示意图，3.2城市工程物探方法介绍，2)地震面波法，3.2城市工程物探方法介绍，3)直流法(网络平行电法)，是一种直流电阻率法，是在高密度电法勘探的基础上发展起来的新技术。它集电测深和电测深于一体，具有多设备、多极距的高密度组合功能。根据无穷大的存在与否，网络并行电法主要采用单极电源(调幅法)和偶极电源(反电动势法)进行数据采集和处理。由于采用了并行数据采集技术，数据采集具有同时性和实时性，可以获得供电时测量线上的所有电位曲线(如图4所示)；由于网络并行电法技术是一种实时全电场观测技术，其特点是在供电的同时获取所有电极的自然电场、一次场和二次场的所有数据，采用并行数据采集方式，大大提高了工作效率，同步完成高密度电法各种设备的数据采集。反垄断法；(b)ABM方法，图4，网络并行电法，电位图采集，3.2城市工程地球物理勘探方法介绍，d)地质雷达方法，地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲电磁波的发射器和向外辐射电磁波的天线组成。高频电磁波通过发射天线发射到地面，电磁波在传播过程中遇到电气接口时被反射，反射波被地面接收天线接收。通过对反射电磁波的传播时间、形状、振幅等信息的分析和处理，反演探测区域内的结构、构造和异常体的分布过渡过程还产生衰减的次级磁场，该磁场传播到地面并被地面接收线圈线接收。次级磁场的变化反映了地质体的导电性。如果在不同的时间测量次级感应电动势V(t)，就可以得到次级磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体，将观察到快速衰减转变过程(见图7)。当有良导体时，导体中会产生涡流，以在切断电源时维持初级场的切断，并且观察到的转变过程的衰减速率将会减慢，从而发现低电阻的存在。图7TEM衰减曲线，图6TEM探测原理，3.2城市工程物探方法介绍，f)井间地震波CT，地震弹性波井间CT法是一种高精度地震探测方法，在一个孔内激发地震波，通过介质传播被另一个孔内探测器接收。通过对记录数据的时间和振幅等信息的处理和分析，对孔间介质进行高精度反演成像。其特点是：1)震源和接收检波器都埋在土体中，不受声波干扰，大大提高了数据的信噪比；2)利用传播的直达波和靠近异常体的观测系统，检测结果更加准确可靠；3)可以更加全面、细致地评价岩体的稳定性。4)需要施工钻孔，工作量较大。图8井间弹性波CT示意图，3.2城市工程物探方法介绍，g)井间电CT，直流电法的一种，根据有无无穷大，采用单极供电(AM法)和偶极供电(ABM法)进行数据采集和处理。电极设置在孔中，当通过孔中的电源电极供电时，孔中的其他接收电极进行电位采集，使得检测区域中介质的视电阻率分布反转。其特点是：1)采用穿透观察系统，观察系统靠近异常体，检测结果更加准确可靠；2)需要施工钻孔，工作量较大。图9跨孔电法CT工作示意图，3.3城市地下空洞探测方法的选择，各种物探方法各有优势和适用性，地质雷达法具有探测效率高、探测精度高的特点，由于城市地下空洞探测往往针对整条道路或整个区域，探测工作量大，所以首先考虑地质雷达法，但由于地质雷达法探测深度较浅，如果探测目标深度较大，则考虑地震波法和直流电法；此外，如果具体区域需要详细勘探和准确解释，可以同时考虑多种地球物理方法，即采用综合地球物理勘探对勘探区域进行精细勘探。一、城市地下空洞探测成功案例，4、杭州蔡河农贸市场地下空洞探测；南京地铁10号线地下空洞探测，4.1杭州蔡河农贸市场地下空洞探测，A)项目概述受杭州市江干区人民政府蔡河街道办事处委托，南京测绘研究院有限公司承担了蔡河二区农贸市场地面沉降原因及潜在沉降点(地下空洞、松散土)的调查工作。蔡河街二区农贸市场发生了多起地面塌陷和建筑墙体裂缝，给农贸市场及周边居民带来了生命和财产的威胁。迫切需要采取有效措施来控制和控制这一地区的坍塌。该项目为控制治理方案的设计提供了科学依据。通过现场踏勘、地质雷达工程探测、管道闭路电视探测等手段，对蔡河街二区农贸市场地表以下6米范围内的异常空洞情况进行了探测，发现了潜在的空洞4.1、图10墙破裂，图11地面塌陷，4.1杭州蔡河农贸市场地下空洞探测，c)工作方法和技术，蔡河街2区农贸市场由于施工期地基填埋工艺含有较多的水泥块，现场人工钻孔和钻孔无法实施；此外，由于农贸市场位于居民区，交通道路狭窄，并且受到农贸市场屋顶高度的限制，因此不可能使用机械钻机进行钻孔和取样。根据现场实际情况和项目目的要求，开展了工程物探、区域管道勘察和管道闭路电视检查(闭路电视管道检查)。4.1杭州菜河农贸市场地下空洞检测。仪器和设备。该项目主要通过现场勘测、地质雷达探测、管道闭路电视探测等手段进行。结合后期数据处理，本项目主要使用管道潜望镜、地质雷达仪器、计算机、打印机等辅助设备(详见表1)。表1主要设备清单、4.1杭州菜河农贸市场地下空洞探测、e)地质雷达探测结果。通过这项工作，江干区人民政府蔡河街2区农贸市场地面沉降物探地质雷达探测工作已经完成，多条测线的雷达剖面发现异常反应。这些异常表明，地表以下2-6m范围内的介质的电性质差异很大。可以确定地表以下2-6m范围内的介质整体均匀性较差(雷达综合评价方案见图12)，地质雷达综合评价方案见图12，杭州菜河农贸市场地下空洞探测见图4.1，区域管线调查结果见图6)。现场调查发现，蔬菜市场东西方向有一条排水和污水管道，内径400毫米，总平均埋深2.22米，为混凝土材料。水流方向从东向西(见草图13)。图13是管道和井口位置示意图。4.1杭州菜河农贸市场地下空洞检测。g)闭路电视管道检查结果。这一次央视在蔬菜市场的管道检查中发现了管道裂缝和淤塞缺陷。根据CJJ181-2012 城镇排水管道检测与评估技术规程，确定检测段管道破裂程度中等，淤积程度严重。在开井检测过程中，发现井口接口处的淤泥含有较多的泥砂，表明管道破裂流水对管道周围的填埋介质有很强的冲刷和淋溶作用。图14管道破裂，图15管道沉积，4.1杭州菜河农贸市场地下空洞检测，H)项目结束。本项目通过现场踏勘、管道勘察、管道闭路电视探测、地质雷达工程探测等手段，对蔡河街2区农贸市场地下6m范围内的地质条件进行了综合勘察。得出以下结论：(1)通过地质雷达探测，准确确定了潜在塌陷点(地下空洞和地质松动)的位置和分布范围；(2)通过管道调查和闭路电视检查，发现穿过农贸市场的直径为400毫米的排水和污水管道损坏，淤塞严重。在开井和检测过程中，发现井口接头处的积垢含有较多的泥砂。(3)通过地质雷达探测结果图，发现地下异常体分布在农贸市场沿线(即排水管道方向)。(4)综合判断，蔡河街二区农贸市场地面塌陷是由于农贸市场排水、污水管道损坏和渗漏造成的侵蚀和淋溶造成的。4.2、南京地铁10号线地下空洞探测工程概况。根据地铁10号线永久结构监测结果，05期(2015年12月)K08 587K08 721m向上、K08 543K08 679m向下发生突然沉降。Th4.2南京地铁10号线综合物探，b)场地概况。勐楼段上行k08587-k08721m和下行k08543-k08679m区间隧道有明显沉降。目前，隧道内存在裂缝、渗漏、管片压力损失、道床分离等病害。外部隧道环境狭窄，施工条件有限。此外，还有许多电缆和铁器(铁轨、钢管、钢架等)。)(详见图16)。现场环境相对复杂，施工操作困难。图16现场概况，(a)整体环境，(b)泄漏，(c)管片压力损失，(d)道床剥离，4.2南京地铁10号线综合物探，(c)技术方法，结合现场条件和勘探目的，对10号线孟都大道-绿化博览段进行高精度地震散射扫描探测、地质雷达扫描探测和小线框瞬变电磁扫描