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城市地下空洞探测理论与技术方法汇报人：余森林时间：2017.10.25提纲：1234城市地下空洞探测的必要性地下空洞探测理论方法地下空洞探测典型案例4城市地下空洞形成原因分析5城市地下空洞探测应用前景及经济效益城市地下空洞探测必要性1地下空洞灾害表象（地表塌陷、墙体破裂等）；地下空洞灾害带来的损失及不良影响；政府相关职能部门高度重视1.1城市地下空洞灾害表象图1地面塌陷1.1城市地下空洞灾害表象图2墙体破裂1.2地下空洞灾害带来的损失和影响城市地下空洞灾害在初现端倪时若不及时进行有效控制和治理，往往会进一步导致地面大范围塌陷，甚至引起地面建筑物倒塌、基础设施损毁等一系列严重次生灾害，给城市带来多方面不利影响。（1）安全方面：道路塌陷、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：地面建筑的破坏、基础设施的损毁以及灾害后地面残骸的处理都会带来巨大的经济损失；（3）生活方面：交通线路、电力电缆等基础设施的损毁，给城市居民的生活带来极大不便，影响城市居民的生活质量；（4）社会方面：道路塌陷、建筑物倒塌以及基础设施破坏等，给城市的市容市貌带来巨大损害，城市幸福指数下降，影响城市发展。1.3政府相关职能部门高度重视近年来，由地下空洞导致地面塌陷的事故频发，目前全国遭受地面塌陷灾害的城市超过50个：2013年到2015年深圳共发生579起地面塌陷事故，几乎平均2天便发生1起地陷事故[1]；2015年10月29日到11月16日，短短19天内南京市玄武区北京东路就连续发生5次塌陷[2]；哈尔滨也出现过20天发生9次地面塌陷事故的情况[3]；……地面塌陷事故频发，严重威胁着各地的经济建设和人民生命财产安全，多地政府相关职能部门高度重视，并将地下空洞探测及治理作为防范地面塌陷的主要手段。[1]人民网.[2]凤凰网.[3]人民网.政府相关职能部门高度重视2013年8月30日，深圳市政府办公厅出台了《地面坍塌事故防范治理专项工作方案的通知》，提出市、区发展改革和财政部门要连续安排地面坍塌防治工作专项资金，保障地面坍塌防治工作顺利推进。2016年12月3日，兰州市城乡建设局针对市区道路塌陷举行媒体见面会，兰州将城市安全地理信息系统列入2017年城建计划，组织专业人员，投入专业设备，对道路及地下管网开展全面探测，防患于未然。……各地区政府相关职能部门积极推动地下空洞探测，预防地面塌陷灾害发生。城市地下空洞形成原因分析22地下空洞形成原因分析地下空洞形成原因整体可分为自然地质因素、人为生产活动因素，具体可细分为：（1）地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，松散层逐渐密实，厚度减小，形成脱空；（2）地下水长期溶蚀形成地下空洞；（3）大量开采地下水，引起孔隙水压力降低和有效应力增大，致使含水层被压缩，形成脱空；（4）地下人工管道（供水、排水）泄漏，引起冲刷淋滤，形成空洞；（5）路基或地基施工时期回填不密实（含暗塘、暗沟），经重力作用形成脱空；（6）由于高压震动（卡车、列车行驶、重型器械工作等）导致松散土层液化，形成脱空。城市地下空洞探测方法3城市地下空洞探测物性基础；城市地下空洞探测方法介绍3.1城市地下空洞探测物性基础地下空洞与周围介质存在着巨大的物性差异，如密度差异、导电导磁性差异、放射性差异等，从而为各种方法应用于地下空洞探测提供了物性基础：（1）地下空洞等地下异常的介质密实度与正常地层或介质存在差异，这为地震波类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导电性与正常地层或介质存在差异，这为电磁法类勘探方法的实施提供了地球物理条件和探测可能性；（3）地下空洞等地下异常的磁性与正常地层或介质存在差异，这为高精度磁法勘探方法的实施提供了地球物理条件和探测可能性；（4）地下空洞等地下异常的放射性与正常地层或介质存在差异，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城市工程物探方法介绍城市工程物探方法大类方法细分方法特点地震体波法①反射波法；②折射波法；③散射波法不受低阻金属及电磁干扰影响；探测深度大；分辨率高；方法理论成熟。地震面波法①稳态法；②瞬态法不受低阻金属及电磁干扰影响；浅层探测；分辨率高；成果直观。直流电法（网络并行电法）①AM法；②ABM法并行采集，同步完成高密度电法多种装置的数据采集；效率高；体积效应。地质雷达法①测点法；②扫描法方便快捷；分辨率高；浅层探测。瞬变电磁法①重叠回线；②中心回线；③定源回线方便快捷；对低阻异常体反映明显；体积效应。其他①跨孔震波CT；②跨孔电法CT观测系统布置在孔中，数据信噪比高；观测系统接近异常体，探测精度高。3.2城市工程物探方法介绍a)地震体波法地震体波法是通过一定的观测系统（图3为单排列多次覆盖观测系统）接收来自探测区域的回波信息，从而反演推断探测区域内部结构、构造的方法。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纵波和横波两种体波；反射波法与散射波法对较小反射界面都能有较明显反应，适用于地下空洞、地下异常构造的探测；折射波法对延续较长的构造界面有较好的反映，一般用于基岩面的追踪探测。图3单排列多次覆盖观测系统示意图3.2城市工程物探方法介绍b)地震面波法地震面波勘探通常即指瑞雷面波勘探，其利用的是瑞雷面波的频散特性。所谓频散是指面波在介质中的传播速度是频率的函数，即速度随频率而变。瑞雷波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此，同一波长瑞雷面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性反映了不同深度的地质情况。由地面观测系统获得各测点的波场信息，通过频散分析获得各测点不同频率瑞雷面波的传播速度，即频散（𝑉𝑅−𝑓）曲线。通过公式λ𝑅=𝑉𝑅𝑓，得到𝑉𝑅−λ𝑅曲线。对𝑉𝑅−λ𝑅曲线进行反演解释，即可得到探测深度范围内地质构造情况及不同深度的瑞雷波传播速度𝑉𝑅值；另外，𝑉𝑅值的大小与传播介质的物理性质相关，据此可对探测区域内介质的性质做出评价。3.2城市工程物探方法介绍c)直流电法（网络并行电法）网络并行电法为直流电阻率法的一种，是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术。它具有电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距的高密度组合功能，根据有无无穷远，网络并行电法主要采用单极供电（AM法）与偶极子供电（ABM法）这两种方式来进行数据采集与处理。由于采用并行数据采集技术，在数据采集时具有同时性和瞬时性，可得到供电时测线上的全部电位曲线（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得所有电极的自然电场、一次场、二次场的全部数据，采用并行数据采集模式，使其工作效率大大提高，同步完成高密度电法的多种装置数据采集。（a）AM法；（b）ABM法图4网络并行电法采集电位图3.2城市工程物探方法介绍d)地质雷达法地质雷达（GroundPenetratingRadar，GPR）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机和向外辐射电磁波的天线组成。通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面时产生反射，反射波被地面的接收天线所接收，通过对反射电磁波旅行时、形态、振幅等信息的分析处理，反演推断探测区域范围内结构、构造及异常体的分布情况。其具有分率高、应用范围广泛、操作简便和自动化程度高的特点。图5雷达探测记录示意图3.2城市工程物探方法介绍e)瞬变电磁法瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：在发射线圈上供一个电流脉冲方波，产生一个向发射回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流(见图6），其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向地面传播，且由地面接收线圈线所接收，该二次磁场的变化反映了地质体的导电情况。如按不同的时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程(见图7)；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而发现低阻体的存在。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)孔间震波CT地震弹性波跨孔CT法是一种高精度地震探测方法，其在一个孔内激发地震波，经介质传播被另一个孔内检波器接收，通过对记录数据到时、振幅等信息的处理分析，对孔与孔之间的介质进行高精度反演成像。其特点有：1）震源和接收检波器都埋置在土体内部，不受声波的干扰，大大提高了数据的信噪比；2）利用透射直达波，且观测系统靠近异常体，探测结果更准确可靠；3）可对岩体稳定性进行更全面更细节的评价；4）需要施工钻孔，工作量较大。图8跨孔弹性波CT工作示意图34#35#1#2#34#35#1#2#溶洞激发孔接收孔地震仪检波点米炮点3.2城市工程物探方法介绍g)跨孔电法CT跨孔电法CT是直流电法的一种，根据有无无穷远，跨孔电法CT主要采用单极供电（AM法）与偶极子供电（ABM法）这两种方式来进行数据采集与处理。在孔中布置电极，通过孔内供电电极供电时，孔内其他接收电极进行电位采集，从而对探测区域内介质视电阻率的分布情况进行反演。其特点有：1）利用穿透观测系统，且观测系统靠近异常体，探测结果更准确可靠；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选择各种物探方法具有各自的优点及适用性，地质雷达法具有探测效率高、探测精度高的特点，且由于城市地下空洞探测往往是针对整条道路或整个区域，探测工作量大，因此首先考虑采用地质雷达法，但由于地质雷达法探测深度相对较浅，若探测目的深度较大，则考虑地震波法与直流电法；另外，对于特定区域，需要进行详细探查及精确解释，则可以考虑同时采用多种物探方法，即采用综合物探的方式对探测区域进行精细探查。城市地下空洞探测成功案例4杭州采荷农贸市场地下空洞探测；南京地铁十号线地下空洞探测4.1杭州采荷农贸市场地下空洞探测a)项目概况受杭州市江干区人民政府采荷街道办事处的委托，南京市测绘勘察研究院股份有限公司承接了采荷街道二区农贸市场地面塌陷形成原因及潜在塌陷点（地下空洞及土质疏松位置）的调查任务。采荷街道二区农贸市场已出现多处地面塌陷及建筑墙体破裂现象，给农贸市场及周边市民带来生命财产威胁，急需采取有效措施对该区域的塌陷情况进行控制与治理。本项目为控制治理方案的设计提供科学依据。通过现场踏勘、地质雷达工程探测、管道闭路电视检测等手段对采荷街道二区农贸市场地表以下6米范围内异常空洞情况进行探查，对潜在塌陷点进行预测判断，给出导致地面塌陷地质异常形成的原因。4.1杭州采荷农贸市场地下空洞探测b)区域现场概况地面沉降区域大部分位于农贸市场围墙和固定摊位下，且已出现多处轻微地面塌陷和墙体破裂（图10、图11）。农贸市场空间较狭小，摊位密集，行人较多。图10墙体破裂图11地面塌陷4.1杭州采荷农贸市场地下空洞探测c)工作方法与技术采荷街道二区农贸市场由于建设期地基填埋过程中含有较多水泥基块，现场手工钻打钻无法实施；另外由于农贸市场位于小区内，交通道路狭窄且受农贸市场屋顶高度限制，无法使用机械钻进行钻孔取样。结合现场实际情况及项目目的需求，进行工程地球物理勘查、区域内管线调查、管道闭路电视检测（CCTV管道检测）。4.1杭州采荷农贸市场地下空洞探测d)仪器设备项目主要是通过现场踏勘调查、地质雷达探测、管道闭路电视检测等手段进行，结合后期数据处理，本项目主要用到管道潜望