最新城市地下空洞檢測理論與技術方法

1、城市地下空洞探測理論與技術方法匯報人：余森林時 間：2017.10.25提綱：提綱：1234城市地下空洞探測的必要性地下空洞探測理論方法地下空洞探測典型案例4城市地下空洞形成原因分析5城市地下空洞探測應用前景及經(jīng)濟效益 城市地下空洞探測必要性1 1地下空洞災害表象（地表塌陷、墻體破裂等）地下空洞災害表象（地表塌陷、墻體破裂等）；地下空洞災害帶來的損失及不良影響；地下空洞災害帶來的損失及不良影響；政府政府相關職能相關職能部門高度重視部門高度重視1.1城市地下空洞災害表象圖1 地面塌陷1.1城市地下空洞災害表象圖2 墻體破裂1.2地下空洞災害帶來的損失和影響城市地下空洞災害在初現(xiàn)端倪時若不及時進行

2、有效控制和治理，往往會進一步導致地面大范圍塌陷，甚至引起地面建筑物倒塌、基礎設施損毀等一系列嚴重次生災害，給城市帶來多方面不利影響。（1）安全方面：道路塌陷、建筑物倒塌等災害往往直接帶來巨大的人員傷亡威脅；（2）經(jīng)濟方面：地面建筑的破壞、基礎設施的損毀以及災害后地面殘骸的處理都會帶來巨大的經(jīng)濟損失；（3）生活方面：交通線路、電力電纜等基礎設施的損毀，給城市居民的生活帶來極大不便，影響城市居民的生活質(zhì)量；（4）社會方面：道路塌陷、建筑物倒塌以及基礎設施破壞等，給城市的市容市貌帶來巨大損害，城市幸福指數(shù)下降，影響城市發(fā)展。1.3政府相關職能部門高度重視近年來，由地下空洞導致地面塌陷的事故頻發(fā)，目前

3、全國遭受地面塌陷災害的城市超過50個：2013年到2015年深圳共發(fā)生579起地面塌陷事故，幾乎平均2天便發(fā)生1起地陷事故1；2015年10月29日到11月16日，短短19天內(nèi)南京市玄武區(qū)北京東路就連續(xù)發(fā)生5次塌陷2；哈爾濱也出現(xiàn)過20天發(fā)生9次地面塌陷事故的情況3 ；地面塌陷事故頻發(fā)，嚴重威脅著各地的經(jīng)濟建設和人民生命財產(chǎn)安全，多地政府相關職能部門高度重視，并將地下空洞探測及治理作為防范地面塌陷的主要手段。1人民網(wǎng). http:/ http:/ http:/ 城市地下空洞形成原因分析2 22地下空洞形成原因分析地下空洞形成原因整體可分為自然地質(zhì)因素、人為生產(chǎn)活動因素，具體可細分為：（1）地表

4、松散地層或半松散地層等在重力作用下，松散層逐漸密實，厚度減小，形成脫空；（2）地下水長期溶蝕形成地下空洞；（3）大量開采地下水，引起孔隙水壓力降低和有效應力增大，致使含水層被壓縮，形成脫空；（4）地下人工管道（供水、排水）泄漏，引起沖刷淋濾，形成空洞；（5）路基或地基施工時期回填不密實（含暗塘、暗溝），經(jīng)重力作用形成脫空；（6）由于高壓震動（卡車、列車行駛、重型器械工作等）導致松散土層液化，形成脫空。 城市地下空洞探測方法3 3城市地下空洞探測物性基礎；城市地下空洞探測物性基礎；城市地下空洞探測方法介紹城市地下空洞探測方法介紹3.1城市地下空洞探測物性基礎地下空洞與周圍介質(zhì)存在著巨大的物性差異

5、，如密度差異、導電導磁性差異、放射性差異等，從而為各種方法應用于地下空洞探測提供了物性基礎：（1）地下空洞等地下異常的介質(zhì)介質(zhì)密實度密實度與正常地層或介質(zhì)存在差異，這為地震波類和重地震波類和重力力勘探方法的實施提供了地球物理條件和探測可能性；（2）地下空洞等地下異常的導電性導電性與正常地層或介質(zhì)存在差異，這為電磁法類電磁法類勘探方法的實施提供了地球物理條件和探測可能性；（3）地下空洞等地下異常的磁性磁性與正常地層或介質(zhì)存在差異，這為高精度磁法高精度磁法勘探方法的實施提供了地球物理條件和探測可能性；（4）地下空洞等地下異常的放射性放射性與正常地層或介質(zhì)存在差異，這為放射性測量方法放射性測量方法的

6、實施提供了地球物理條件和探測可能性。3.2城市工程物探方法介紹城城市市工工程程物物探探方方法法大類大類方法細分方法細分方法特點方法特點地震體波法反射波法；折射波法；散射波法不受低阻金屬及電磁干擾影響；探測深度大；分辨率高；方法理論成熟。地震面波法穩(wěn)態(tài)法；瞬態(tài)法不受低阻金屬及電磁干擾影響；淺層探測；分辨率高；成果直觀。直流電法（網(wǎng)絡并行電法）AM 法；ABM 法并行采集，同步完成高密度電法多種裝置的數(shù)據(jù)采集；效率高；體積效應。地質(zhì)雷達法測點法；掃描法方便快捷；分辨率高；淺層探測。瞬變電磁法重疊回線；中心回線；定源回線方便快捷；對低阻異常體反映明顯；體積效應。其他跨孔震波CT；跨孔電法CT觀測系統(tǒng)

7、布置在孔中，數(shù)據(jù)信噪比高；觀測系統(tǒng)接近異常體，探測精度高。3.2城市工程物探方法介紹a)地震體波法地震體波法是通過一定的觀測系統(tǒng)（圖3為單排列多次覆蓋觀測系統(tǒng)）接收來自探測區(qū)域的回波信息，從而反演推斷探測區(qū)域內(nèi)部結構、構造的方法。其主要包括反射波法、折射波法、散射波法，且不同方法均可利用縱波和橫波兩種體波；反射波法與散射波法對較小反射界面都能有較明顯反應，適用于地下空洞、地下異常構造的探測；折射波法對延續(xù)較長的構造界面有較好的反映，一般用于基巖面的追蹤探測。圖3 單排列多次覆蓋觀測系統(tǒng)示意圖3.2城市工程物探方法介紹b)地震面波法3.2城市工程物探方法介紹c)直流電法（網(wǎng)絡并行電法）網(wǎng)絡并行電

8、法為直流電阻率法的一種，是在高密度電法勘探基礎之上發(fā)展起來的一種新技術。它具有電測深和電剖面法于一體的多裝置、多極距的高密度組合功能，根據(jù)有無無窮遠，網(wǎng)絡并行電法主要采用單極供電（AM 法）與偶極子供電（ABM 法）這兩種方式來進行數(shù)據(jù)采集與處理。由于采用并行數(shù)據(jù)采集技術，在數(shù)據(jù)采集時具有同時性和瞬時性，可得到供電時測線上的全部電位曲線（如圖4所示）；由于網(wǎng)絡并行電法技術是一種實時全電場觀測技術，其特點是在供電的同時獲得所有電極的自然電場、一次場、二次場的全部數(shù)據(jù)，采用并行數(shù)據(jù)采集模式，使其工作效率大大提高，同步完成高密度電法的多種裝置數(shù)據(jù)采集。（a）AM法；（b）ABM法圖4 網(wǎng)絡并行電法采

9、集電位圖3.2城市工程物探方法介紹d)地質(zhì)雷達法地質(zhì)雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖電磁波的發(fā)射機和向外輻射電磁波的天線組成。通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面時產(chǎn)生反射，反射波被地面的接收天線所接收，通過對反射電磁波旅行時、形態(tài)、振幅等信息的分析處理，反演推斷探測區(qū)域范圍內(nèi)結構、構造及異常體的分布情況。其具有分率高、應用范圍廣泛、操作簡便和自動化程度高的特點。圖5 雷達探測記錄示意圖3.2城市工程物探方法介紹e)瞬變電磁法瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是：在發(fā)射線圈上供一

10、個電流脈沖方波，產(chǎn)生一個向發(fā)射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流(見圖6），其大小取決于地質(zhì)體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向地面?zhèn)鞑?，且由地面接收線圈線所接收，該二次磁場的變化反映了地質(zhì)體的導電情況。如按不同的時間測量二次感生電動勢V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程(見圖7)；當存在良導體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場的切斷，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)低阻體的存在。圖7 TEM衰

11、減曲線圖6 TEM探測原理3.2城市工程物探方法介紹f )孔間震波CT地震彈性波跨孔CT法是一種高精度地震探測方法，其在一個孔內(nèi)激發(fā)地震波，經(jīng)介質(zhì)傳播被另一個孔內(nèi)檢波器接收，通過對記錄數(shù)據(jù)到時、振幅等信息的處理分析，對孔與孔之間的介質(zhì)進行高精度反演成像。其特點有：1）震源和接收檢波器都埋置在土體內(nèi)部，不受聲波的干擾，大大提高了數(shù)據(jù)的信噪比；2）利用透射直達波，且觀測系統(tǒng)靠近異常體，探測結果更準確可靠；3）可對巖體穩(wěn)定性進行更全面更細節(jié)的評價；4）需要施工鉆孔，工作量較大。圖8 跨孔彈性波CT工作示意圖34#35#1#2#34#35#1#2#溶洞激發(fā)孔接收孔地震儀檢波點米炮點3.2城市工程物探方

12、法介紹g)跨孔電法CT跨孔電法CT是直流電法的一種，根據(jù)有無無窮遠，跨孔電法CT主要采用單極供電（AM 法）與偶極子供電（ABM 法）這兩種方式來進行數(shù)據(jù)采集與處理。在孔中布置電極，通過孔內(nèi)供電電極供電時，孔內(nèi)其他接收電極進行電位采集，從而對探測區(qū)域內(nèi)介質(zhì)視電阻率的分布情況進行反演。其特點有：1）利用穿透觀測系統(tǒng)，且觀測系統(tǒng)靠近異常體，探測結果更準確可靠；2）需要施工鉆孔，工作量較大。圖9 跨孔電法CT工作示意圖3.3城市地下空洞探測方法選擇各種物探方法具有各自的優(yōu)點及適用性，地質(zhì)雷達法具有探測效率高、探測精度高的特點，且由于城市地下空洞探測往往是針對整條道路或整個區(qū)域，探測工作量大，因此首先

13、考慮采用地質(zhì)雷達法，但由于地質(zhì)雷達法探測深度相對較淺，若探測目的深度較大，則考慮地震波法與直流電法；另外，對于特定區(qū)域，需要進行詳細探查及精確解釋，則可以考慮同時采用多種物探方法，即采用綜合物探的方式對探測區(qū)域進行精細探查。 城市地下空洞探測成功案例4 4杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測；杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測；南京地鐵十南京地鐵十號號線地下空洞探測線地下空洞探測4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測a)項目概況受杭州市江干區(qū)人民政府采荷街道辦事處的委托，南京市測繪勘察研究院股份有限公司承接了采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市場地面塌陷形成原因及潛在塌陷點（地下空洞及土質(zhì)疏松位置）的調(diào)查任務。采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市

14、場已出現(xiàn)多處地面塌陷及建筑墻體破裂現(xiàn)象，給農(nóng)貿(mào)市場及周邊市民帶來生命財產(chǎn)威脅，急需采取有效措施對該區(qū)域的塌陷情況進行控制與治理。本項目為控制治理方案的設計提供科學依據(jù)。通過現(xiàn)場踏勘、地質(zhì)雷達工程探測、管道閉路電視檢測等手段對采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市場地表以下6米范圍內(nèi)異?？斩辞闆r進行探查，對潛在塌陷點進行預測判斷，給出導致地面塌陷地質(zhì)異常形成的原因。4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測b)區(qū)域現(xiàn)場概況地面沉降區(qū)域大部分位于農(nóng)貿(mào)市場圍墻和固定攤位下，且已出現(xiàn)多處輕微地面塌陷和墻體破裂（圖10、圖11）。農(nóng)貿(mào)市場空間較狹小，攤位密集，行人較多。圖10 墻體破裂圖11 地面塌陷4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞

15、探測c)工作方法與技術采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市場由于建設期地基填埋過程中含有較多水泥基塊，現(xiàn)場手工鉆打鉆無法實施；另外由于農(nóng)貿(mào)市場位于小區(qū)內(nèi)，交通道路狹窄且受農(nóng)貿(mào)市場屋頂高度限制，無法使用機械鉆進行鉆孔取樣。結合現(xiàn)場實際情況及項目目的需求，進行工程地球物理勘查、區(qū)域內(nèi)管線調(diào)查、管道閉路電視檢測（CCTV管道檢測）。4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測d)儀器設備項目主要是通過現(xiàn)場踏勘調(diào)查、地質(zhì)雷達探測、管道閉路電視檢測等手段進行，結合后期數(shù)據(jù)處理，本項目主要用到管道潛望鏡、地質(zhì)雷達儀、計算機、打印機及其他輔助設備（詳見表1）。序號儀器或設備名稱型號規(guī)格數(shù)量（套/臺）國別產(chǎn)地制造年份生產(chǎn)能力備注1管道潛

16、望鏡E36B+1中國2015優(yōu)2地質(zhì)雷達儀PULSE-EEEKO-100A1加拿大2015優(yōu) 3計算機聯(lián)想1中國2015優(yōu) 4打印機TOSHIBA Universa1日本2015優(yōu) 表1主要設備清單4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測e)地質(zhì)雷達探測成果經(jīng)本次工作，完成了對江干區(qū)人民政府采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市場地面沉降物探勘查地質(zhì)雷達探測工作，發(fā)現(xiàn)多條測線的雷達剖面有異常反應，這些異常表明地表以下2-6m范圍內(nèi)介質(zhì)的電性差變化異較大，可以判定地表以下2-6m范圍內(nèi)介質(zhì)的整體均勻性較差（雷達綜合推測平面圖見圖12），圖12 地質(zhì)雷達綜合推測平面圖4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測f )區(qū)域管線調(diào)查成果

17、通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沿菜市場東西走向有一條排水排污管道，管道內(nèi)徑400mm，整體平均埋深2.22m，混凝土材質(zhì)，水流方向從東向西（見示意圖13）圖13 管線、井口位置示意圖4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測g)CCTV管道檢測成果本次菜市場內(nèi)CCTV管道檢測發(fā)現(xiàn)管道破裂和淤積缺陷。根據(jù)CJJ181-2012城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程，判定探測段管道內(nèi)存在破裂的程度為中度、淤積程度為重度。開井探測過程中，發(fā)現(xiàn)井口連接處的淤積物含泥、沙質(zhì)成分較多，說明管道破裂流水對管道周圍填埋介質(zhì)的沖刷淋濾作用較強。圖14 管道破裂圖15 管道淤積4.1杭州采荷農(nóng)貿(mào)市場地下空洞探測h)項目結論此項目通過現(xiàn)場踏勘

18、、管線調(diào)查、管道閉路電視檢測、地質(zhì)雷達工程探測等手段對采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市場地下6m范圍內(nèi)地質(zhì)情況進行了綜合探查，得出以下結論：（1）通過地質(zhì)雷達探測，準確地判定了潛在塌陷點（地下空洞及地質(zhì)疏松）的位置及分布范圍；（2）通過管線調(diào)查及管道CCTV檢測，發(fā)現(xiàn)貫穿農(nóng)貿(mào)市場、管徑400mm的排水排污管道有破損及較嚴重的淤積現(xiàn)象，且開井探測過程中，發(fā)現(xiàn)井口連接處的積污含泥、沙質(zhì)成分較多；（3）通過地質(zhì)雷達探測成果圖發(fā)現(xiàn)地下異常體的分布有沿農(nóng)貿(mào)市場（也即沿排水管道走向）排列的趨勢；（4）綜合判斷采荷街道二區(qū)農(nóng)貿(mào)市場地面塌陷是由于該農(nóng)貿(mào)市場內(nèi)排水排污管道破損、泄露，引起沖刷淋濾所致。4.2南京地鐵十號線地下

19、空洞探測a)項目概況根據(jù)地鐵永久結構監(jiān)測成果，十號線夢綠區(qū)間上行K08+587K08+721m、下行K08+543K08+679m段在05期（2015年12月）突發(fā)沉降。05期最大沉降-28.12mm，最大沉降速率-0.312mm/d；06期（2016年3月）最大沉降-49.68mm，最大沉降速率-0.552mm/d。針對夢綠區(qū)間突發(fā)沉降，于4月6月開展每月一次的加密監(jiān)測，最大沉降速率分別為-0.566mm/d、-0.420mm/d、-0.447mm/d，沉降仍在繼續(xù)，無減緩趨勢。為查明該段突發(fā)沉降原因，對夢綠區(qū)間上行K08+580K08+730m和下行K08+540K08+690m區(qū)段隧道底

20、部5m深度范圍內(nèi)可能存在的地下空洞（含土質(zhì)疏松）進行探測，并為下一步業(yè)主制定沉降整治方案提供基礎資料與決策依據(jù)。4.2南京地鐵十號線綜合物探b)現(xiàn)場概況夢綠區(qū)間上行K08+587K08+721m和下行K08+543K08+679m區(qū)段隧道沉降明顯，目前隧道內(nèi)部存在裂縫、滲漏、管片壓損、道床脫離等病害，且外隧道環(huán)境狹小、施工條件有限，此外電纜和鐵器（軌道、鋼管、鋼架等）較多（詳見圖16），現(xiàn)場環(huán)境比較復雜，施工作業(yè)難度較大。 圖16 現(xiàn)場概況（a）整體環(huán)境（b）滲漏（c）管片壓損（d）道床剝離4.2南京地鐵十號線綜合物探c)技術方法結合現(xiàn)場條件及探測目的，對十號線夢都大街綠博園區(qū)間開展高精度地震

21、散射掃描探測、地質(zhì)雷達掃描探測及小線框瞬變電磁掃描相結合的綜合物探工作，通過對地震記錄、地質(zhì)雷達記錄及瞬變電磁測點記錄處理、成圖、綜合解釋，查明探測范圍內(nèi)隧道下方的異常分布情況。結合地質(zhì)資料和物性標本所測得的參數(shù)資料進行綜合研究，對探測異常做出客觀、合理的解釋，為業(yè)主制定沉降治理方案提供基礎資料與決策依據(jù)。圖17 綜合物探方法技術路線圖4.2南京地鐵十號線綜合物探d)儀器設備項目采用高精度地震散射掃描探測、地質(zhì)雷達掃描探測及小線框瞬變電磁掃描探測相結合的綜合物探路線。結合后期數(shù)據(jù)處理，本項目主要用到地震探測儀、瞬變電磁儀、地質(zhì)雷達儀、計算機、打印機及其他輔助設備（詳見表2）。序號儀器或設備名稱

22、型號規(guī)格數(shù)量（套/臺）國別產(chǎn)地制造年份生產(chǎn)能力備注1地震探測儀YWZ111中國2015優(yōu)2瞬變電磁儀YCS3601中國2015優(yōu)3地質(zhì)雷達儀MALA1瑞典2015優(yōu) 4計算機聯(lián)想1中國2015優(yōu) 5打印機TOSHIBA UNIVERSA1日本2015優(yōu) 表2 主要設備清單4.2南京地鐵十號線綜合物探e)試驗及數(shù)據(jù)采集試驗是勘探前至關重要的一步，只有通過試驗才能摸清測區(qū)的地質(zhì)情況和其他基本情況，選擇適合于本測區(qū)的激發(fā)參數(shù)、接收參數(shù)，只有參數(shù)選擇合適，才可能獲得好的第一手資料。根據(jù)地震、瞬變、地質(zhì)雷達試驗工作得到的參數(shù)，按照探測方案對勘探范圍進行三種方法的數(shù)據(jù)采集工作。 圖18 地震數(shù)據(jù)采集圖19

23、 瞬變數(shù)據(jù)采集圖20 雷達數(shù)據(jù)采集4.2南京地鐵十號線綜合物探f )綜合物探結果反演成果圖圖21 上行線綜合物探成果圖圖22 下行線綜合物探成果圖4.2南京地鐵十號線綜合物探g)綜合物探結果綜合解釋測線測線里程范圍里程范圍沉降量沉降量物探解釋及地質(zhì)評物探解釋及地質(zhì)評價價上上行行線線K08+550K08+573-0.9mm下水道影響嚴重，影響物探結果。K08+573K08+633-40.1mm探測下方1m1.2m界面不清晰，2m以下地震波及電磁波均出現(xiàn)減弱及紊亂現(xiàn)象，分析為受地鐵運營震動影響，上部土體水分排泄補給下方土體，導致土體液化流失。重點異常區(qū)段為圖中所示YC3、YC4區(qū)域。K08+633

24、K08+647-30.8mm物探結果顯示上下均勻性較好，可能存在少量水體流失現(xiàn)象。K08+647K08+704-61.3mm-70.77mm探測下方1.6m3.2m界面不清晰，地震波及電磁波均出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，分析為注漿不均勻及地下土層較松軟，地鐵運營中存在土體液化流失嚴重所致。重點異常區(qū)段為圖中所示YC1、YC2區(qū)域。K08+704K08+721-37.3mm下水道影響嚴重，影響物探結果。測線測線里程范圍里程范圍沉降量沉降量物探解釋及地質(zhì)評價物探解釋及地質(zhì)評價下下行行線線K08+521K08+5401.2mm震波連續(xù)性好，土體完整且較密實。K08+540K08+565-28.7mm-36.7mm

25、探測下方1m3m地震波及電磁波均出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，該區(qū)域受雨水或水土流失等影響，造成管道下方注漿不均所致。探測下方5m13m存在地震波滑動面，分析為土層不均一沉降面。重點異常區(qū)段為圖中所示YC5區(qū)域。K08+565K08+620-45.7mm-57.9mm探測下方1m2m區(qū)間地震信號頻率突變，瞬變電磁表現(xiàn)為高、低阻交替，該區(qū)域為土質(zhì)疏松區(qū)，應予以注意。K08+580K08+593探測下方5m14m存在地震波滑動面，分析為土層不均一沉降面。重點異常區(qū)段為圖中所示YC6區(qū)域。K08+620K08+652-61.9mm探測下方1.2m3.4m該區(qū)域以雷達結果為主，同相軸整體錯動，為大范圍土體液化區(qū)。重點異常區(qū)段為圖中所示YC9區(qū)域。K08+6