城市路面塌陷探测技术方案概要

地下排水管网路面塌陷治理

排查探测技术方案

201*年*月

目 录

1 概况 ............................................................................................... 1 2 依据规程 ........................................................................................ 2 3 排查探测方法与技术 ..................................................................... 2 3.1 地下排水管线资料搜集 .......................................................... 2 3.2 地下塌陷隐患探测 ................................................................. 5 3.2.1 地质雷达法 ................................................................... 5 3.2.2 浅层地震 ....................................................................... 8 3.3 .3高密度电法 ....................................................................... 11 3.3管道内窥摄影检测（CCTV） ................................................. 11 3.4 各种探测方法的特点 ............................................................ 12 4 探测工作量和工作程序 ............................................................... 13 4.1 估算工作量 .......................................................................... 13 4.2 工作程序 .............................................................................. 14 5 主要难点及解决措施 ................................................................... 16 6 主要仪器设备 .............................................................................. 16 7 质量保证 ...................................................................................... 16 8 安全控制 ...................................................................................... 17 9 提交成果资料 .............................................................................. 17 10 本探测技术优势 .......................................................................... 18

1 概况

2013年5月20日晚9时左右，**工业园门口发生塌陷，造成5人死亡，数人受伤。为防止此类事故再次发生，**市组织道路、水务等相关部门，计划对全市路面塌陷进行综合治理。为此，需对路面塌陷原因及可疑塌陷区域进行排查探测，研究有效的检测手段及治理方案。

图1-1 **5.20地陷事故

**区，位于**市中部。是**、市所在地，是**市重点开发和建设的中心城区。**区辖区面积78.04平方公里，由北向南，地势大多比较平坦，交通运输用地5.96平方公里。**区内经过的主干道主要有**大道、**大道、**路、**路等等，加上其他交通道路，总长度约为780km。

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2 依据规程

（1）、《城镇排水管道检测与评估技术规程》CJJ181-2012，中华人民共和国行业标准；

（2）、《城市排水防涝设施普查数据采集与管理技术导则（试行）》，住房和城乡建设部，2013.06；

（3）、《城市工程地球物理探测规范》CJJ7-2007； （4）、《市政工程勘察规范》CJJ56-2012； （5）、《水利水电工程物探规程》（SL332-2005）； （6）、《城市地下管线探测技术规程》（CJJ 61-2003）。

3 排查探测方法与技术

根据城市路面塌陷的具体环境条件分析，首先，因地下排水管网在施工时存在渗漏问题和在运行期间产生的缺陷是塌陷形成的主要原因；其次，部分地段特殊的地质条件（如岩溶塌陷、地层沉降、附近施工不良影响等）是造成塌陷的次要因素。受施工工艺、材料等的影响，在施工和运行期间，地下排水管道裂痕、裂缝、接头松脱、接头错位、管身断裂、穿孔、坍塌、破损、砂浆脱落、变形、砖块上下移位、砖块遗失等缺陷，造成排水管道周围水土局部流失，局部水土不密实使地面水集中渗流，加剧水土流失，长期便形成空洞。因此，检测排水管道周围充填泥（岩）土的密实程度，可查出水土流失隐患，且可查出已经形成的局部空洞。

针对****区具体的地质及特殊的城市环境，宜采用非开挖、非钻探的非破损排查探测方式为主，城市中进行探测的非破损方法主要包括排水管网人工排查、地面物探探测（地质雷达、高密度电法和浅层地震技术等）、管道机器人电视观察（CCTV），以达到对排水管网系统进行诊断，发现可能造成塌陷“病灶”位置和已形成塌陷隐患的位置，为后期进行施工处理提供重要资料。

3.1 地下排水管线资料搜集

3.1.1地下排水管网资料搜集内容及分类

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排水管网按其功能可分为三类，即雨水管网系统、污水管网系统和雨污合流管网系统。各管网系统有如下特点：

（1） 雨水管网系统：其功能是使雨水能顺利地从建筑物、厂区、生活区、街道排泄出去，进入河流。该管点是通过建筑物的落水管（竖管）及其周边的雨水沟、道路边设置雨水篦等收集雨水，经过分支管道、干管、主干管就近排入河流。正常情况下，雨天时出水口才有水排出，其它时段无水。然而，由于局部可能有污水分支接入该系统，即使晴天也有水流出。

（2） 污水管网系统：用于收集房屋卫生设备及车间用水设备所排出的污水，通过该系统汇集输向污水处理厂，经处理后排入河流。该管点是污水从建筑物内出来，经分支管汇集进入化粪池或沉淀池，再经干管、主干管输送到污水处理厂。然而，由于部分小区设计不规范、私自改建，造成污水进入了雨水管网系统，或污水系统直接排入河流，因此形成对河流的污染。 （3） 雨污合流管网系统：

部分厂区、生活区未采用雨、污分流系统，而是将生活污水、工业废水和雨水经一个管网系统汇集输送到污水处理厂或采用直泄式排入河流。 3.1.2资料搜集排查范围

本区排查范围：市政雨水管道、污水管道、雨水污水合流管道、沟渠、涵洞、出水口、进水口、窨井、泵站、调节池、污水处理厂（站）及其附属设施等公共排水设施。

事先对已埋设的各种地下排水管线资料进行搜集、 分类、 整理, 并转绘到 基本比例尺地形图上，作为排水管线隐患排查地的依据。

对现有地下管线资料的调绘工作要在开展地面探测工作开展前完成。 现有地下管线资料调绘要根据工程范围和要求进行，工作完成后提交地下排水管线现状调绘图和成果表。

资料调绘完成之后，根据调绘成果对测区进行现场踏勘, 初步拟定针对测区情况采用的探测方法与技术。

根据现场踏勘结果，对拟采用的地下排水管线探测方法与技术进行有效性试验, 确定所采用的探测方法与技术。

拟投入使用的各类探测仪器在使用前均应进行仪器校验, 并形成记录。

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根据资料调绘、现场踏勘、方法试验、仪器一致性校验等情况编写项目设计书, 并进行评审。

3.1.3地下排水管线资料调绘内容： （1）搜集已有地下排水管线资料；

（2）分类、整理所搜集的已有地下排水管线资料； （3）编绘地下排水管线现状调绘图。 3.1.4地下排水管线资料搜集内容：

（1）地下排水管线设计图、施工图、竣工图、栓点图、示意图、竣工测量成果或外业探测成果；

（2）技术说明资料及成果表； （3）道路规划红线图； （4）现有基本比例尺地形图。 3.1.5地下排水管线现状调绘图编绘

（1） 对所搜集的资料应进行整理、分类，将管线位置、连接关系、管线构筑物或附属物、规格(管径或断面宽高)、材质、传输物体特征(压力、流向)、建设年代等管线属性数据转绘到基本比例尺地形图上, 编制地下管线现状调绘图。 （2） 地下排水管线现状调绘图根据管线竣工图、竣工测量成果或外业探测成果编制, 无竣工图、竣工测量成果或外业探测成果时,根据施工图及有关资料,按管线与邻近的建(构)筑物、明显地物点、现有路边线的相互关系编制。地下管线现状调绘图上要注明管线资料来源。 3.1.6现场踏勘

（1） 地下排水管线现状调绘图中明显点与实地的一致性； （2） 测区内测量控制点的位置和保存情况；

（3）测区地物、地貌、交通、地球物理条件及各种可能存在的干扰因素。 （4）现场踏勘要进行下列记录:

1） 地下排水管线明显点与实地不一致的地方应在地下管线现状调绘图上标明； 2）测区测量控制点的变化情况应做详细记录；

3）初步拟定现场可采用的探测方法、技术和探测方法试验的最佳场地。

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图3-1 调查图

3.2 地下塌陷隐患探测 3.2.1 地质雷达法

探地雷达（GPR）是通过雷达天线发射高频（十几到上仟赫兹）电磁脉冲来探测地面。雷达发射的脉冲遇到地下各种界面产生反射，返回到地面被雷达接收机接收。反射界面可以是地下空洞顶面、土岩分界面、人工物体或者任何其它具有介电性对比特性的界面。

雷达信号通过贴近地表的天线传递到地面，发射天线或另一个单独的接收天线都可以接收到反射信号。图形记录器会对接收的信号进行处理，然后显示出来。由于天线（或者天线对）沿着表面移动，所以图形记录器显示结果为截面记录或地面雷达图像。由于在地质雷达相对多大数土层物质表现短波长，所以对界面和目标体的分辨率极佳。然而，由于在土层中信号衰减很快，所以穿透深度很少超过20米。

探地雷达探测的目的是绘制接近地表的地质界面。对于很多探测来说，例如

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地下水管或空洞的位置就是探测目标，而这些物质的介电特性无法直接测量。这是一种探测地下界面几何形状变化的最有用方法。

图3-2 雷达探测原理示意图

城市塌陷由于地面平坦、要求探测深度浅，是最适合探地雷达解决的地质问题。

城市路面探地雷达开始探测前，重点要考虑以下几个重要问题。

（1）确定探测目标深范围，以便确定天线频率，根据实际经验，城市路面塌陷探测的深度一般在10米范围内，选用雷达天线一般为270 Mhz或100Mhz。 （2）探测目标体性质：塌陷空洞和冲蚀架空区。

（3）目标体的电性特征：塌陷空洞和冲蚀架空区与周围密实土层形成较大介电常数和电导率差异。

（4）主要介质的电性特性：塌陷空洞和冲蚀架空区介电常数大、电阻率高，周围密实土层介电常数低、电阻率低。

表3-1 城市路面雷达探测介质电磁参数表

材料 空气 纯净水 淡水  1 80 80 电导率（mS/m） 0 0.01 0.5 速度 （m/ns） 0.3 0.033 0.033 衰减 （dB/m） 0 0.002 0.1 注 6

海水 干砂 湿砂 石灰岩 页岩 泥浆 粘土 金属

80 3-5 20-30 4-8 5-15 5-30 5-40 3,000 0.01 0.1-1 0.5-2 1-100 1-100 2-1,000  0.01 0.15 0.06 0.12 0.09 0.07 0.06 1,000 0.01 0.03-3 0.4-1 1-100 1-100 1-300  （5）干扰效应：城市路面探测存在射频发射器、各种金属结构（包括汽车）和电线杆等可能对探地雷达造成干扰效应。

图3-3地质雷达主机

图3-4地质雷达天线阵及现场工作图

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图3-5地质雷达探测图像及异常对照图片

3.2.2 浅层地震

实践和理论研究表明振动产生的能量80%以上在面波中，由于面波能量强、持续时间也长，且主要在表面附近传播，浅层地震勘探将面波视为干扰波。但面波同其它体波一样，也存在反射、折射，且对浅层的空洞等异常反映更敏感，由于能量强，在城市中具有较强的抗干扰能力。

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面波勘探是按照测网的布置，在测点上逐点进行观测，每一个测点根据地质任务和勘探深度的要求，测得一条频散曲线。工程面波勘探根据震源的不同可以分为人工源面波勘探及天然源面波勘探（微动勘查）。人工源面波勘探根据震源激发方式的不同可以分为稳态法及瞬态法两种，现在工程上普遍使用的是瞬态法。 本次探测拟采用瞬态面波层析成像法，瞬态法原理如图4.3-1所示。瞬态法采用锤击作震源。锤击时激发一瞬时冲击力，产生一定频率范围的面波，不同频率的面波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播，因而瞬态法记录的信号要经过频谱分析、相位谱分析，把各个频率的面波分离开来，从而得到一条速度-频率曲线，达到勘探的目的。

图3-6地震面波及层析成像

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地震映像法，是利用多种地震波作为有效波来进行勘测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波。地震波层析成像技术是在80年代兴起的，在近几年得到发展的一种地球物理反演解释方法，它是借鉴于医学上的CT（Computer Tomography）基本原理，利用大量的地震波信息进行反演计算，得到被测试区域岩体地震波速度的分布形态，在对岩体进行质量评价、划分岩体风化程度、圈定地质异常体等方面具有较高的实用价值。目前这一技术在水利水电工程的勘察中已被应用。

地震波透射层析成像的基本原理地震波透射层析成像是利用地震波对于地质体的透射投影，来重新构成地质体内部地震波速度的分布形态，根据地震波速度与地质体的对应关系，进行岩体的分类和评价。地震波速度和岩体特性一般都具有较好的对应关系，致密完整的岩体地震波速度较高，而疏松破碎的岩体地震波速度较低。对于整个围岩而言，当其是均匀介质时（没有异常体），地震波的穿透速度是单一的，当有低速介质存在时（视为异常体），地震波穿透这些低速介质时则产生时间差（旅行时增加）。根据一条射线所产生的时间差来判别低速介质的具体位置是困难的，因为它的位置可能在整个射线的任何一处，这时如果再有另一条（或多条）射线在同一低速介质中穿透，则这一低速介质就具有了一定的限定，采用相互交叉的致密射线穿透网络，对低速介质在空间上具较强的限定，层析成像就是利用适当的反演计算方法构制速度图像，从而获得低速介质的分布位置。

图3-7地震映像现场排列示意图

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3.3 .3高密度电法

高密度电阻率法实质上为直流电阻率法，其基本原理与常规电阻率法相同，不同的是测点密度较高，极距在算术坐标系中呈等间隔，它是电剖面法与电测深法的结合，一次可以完成纵横二维勘探过程，观测精度较高、数据采集可靠，对地电结构具有一定的成像功能，地面塌陷与周围岩体有明显电性差异，通过高密度电法可获得丰富的地下信息。

它的装置为一种组合式剖面装置，电极排列有多种方式，常用的有温纳装置、施伦贝尔装置等，根据现场的实际情况，选择合适的剖面装置。 电极 图3-8高密度电阻率勘探剖面装置示意图 电极距的确定取决于地质对象的埋藏深度与实际工区工作条件，工作中选取隔离系数以目标体深度确定，电极点距可为3~5m。

3.3管道内窥摄影检测（CCTV）

管道检测机器人系统一种可用于排水管道内部摄像检测及测量工作的管道机器人，具有强劲的动力性能，驱动及越障能力强，即使在恶劣的管道条件下也能正常工作。可以实现排水管道的内窥检测工作，可以检测管道的破裂、腐蚀和焊缝质量情况。采用模式识别和神经网络等一系列图像处理技术，将采集到的图像进行进一步的处理，能更好的识别管道病害情况，辅助人工进行管道损伤判断，减少出错的几率，提高检测效率；使用数字罗盘采集机器人的实时位姿数据，采用神经网络的方法实现自动纠偏控制，使得机器人更加智能化、人性化，操作起来更加简单方便等。

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图3-9 CCVT拍摄图片

3.4 各种探测方法的特点

地质雷达、高密度电法、地震映像法及管道内窥摄影检测具有各自的特点，详见表3-2。

表3-2 各种探测方法的优缺点统计表 探测方法 优点 缺点 地质雷达 探测速度较快，效率较高；探测准确度高，为精细探测；成果全面、直观 受电磁场干扰较大，不易于对地下人工埋设物的探测；探测深度受表层覆盖层的影响大，同时不同天线频率探测的深度不同，探测深度相对较浅，一般38MHz天线探测深度在20m内，100MHz天线探测深度在10m内，270MHz天线探测深度在5m内，400MHz天线探测深度在3m内 受电磁场干扰较大 成本低，效率高，解释方便，探测深度高密度电法 达，探测成果的精细度强，探测深度为10-30m 地震映像成像 高分辨率高，图像较直观的，数据采集速度较快,受电磁场干扰较小，受表层覆盖层的影响小，易于对地下人工埋设物的探测，探测深度为10-30m 抗干扰能力弱，探测效率不高，探测成果的精细度不强 12

管道内窥摄影检测 直观，易懂 局限于点，无法控制面的情况 4 探测工作量和工作程序

4.1 估算工作量

表4-1 **区道路塌陷探测预估工作量 探测方法 单位 工作量 排水管线资料搜集 地质雷达 高密度电法 地震映像成像 管道内窥摄影检测 项 km km km km **区 800 100 100 400 备注 埋藏较深、干扰地段 电磁干扰特别严重地段 注：该工作量为预估工作量，实际工作量根据现场情况决定。

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4.2 工作程序

接收委托 道路管网资料收集 地质雷达探测 地质调查资料收集 地震映像/高密度 收集资料整理 数据处理 成果图表 异常点布置验证孔 钻孔光学检验 成果报告 图4-2 现场工作流程图

**区排水管网年代较久，错综复杂，为了掌握该区管道铺设特点和规律，工作全面开展前，选定40~60km路面进行试验区探测，根据试验区探测成果，对**区其他区域开展大面积探测工作。现场工作流程见图4-2。

根据地面建（构）筑物可将排水管网分为：地面为车辆通行道路、地面为绿化带、地面为人行道路、地面为建筑物4种类型，针对4种不同地面建（构）筑物，采用不同的地质雷达系统进行普查。

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表 4-21 地质雷达普查

序号 地面建（构）筑物 地质雷达系统 备注 1 地面为车辆通行道路 车载雷达系统 2 地面为绿化带 便携式雷达系统 3 地面为人行道路 滚轮式雷达系统 4 地面为建筑物 不检测 对地质雷达扫描结果的可疑部位和重点部位进行高密度电法或地震映像法，辅以排水管道内部摄像探测以确定塌陷的形态和规模。

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5 主要难点及解决措施

探地雷达和高密度电法为电法类、电磁类物探方法，受环境电磁干扰较大。检测场地位于闹市区，各种地下及地面强电、弱电、金属建（构）筑物、机动车启动等均会明显影响检测数据。为最大限度减少数据干扰，组织人员对检测周围干扰源进行记录，并要求甲方对现场交通进行临时管制，确保干扰信号与检测点距离，提供必要的检测场地条件。

6 主要仪器设备

按照探测内容和技术要求，所需仪器设备及配置见表6-1，表中所列仪器全部由国家质量技术监督部门检验合格。

表6-1 主要仪器设备 序号 1 2 3 4 方法 地质雷达探测 地震映像法 高密度电法 钻孔光学成像 设备名称 地质雷达 浅层地震仪 高密度探测仪 孔径窥视仪 产地/型号 SIR-20\\SIR-3000\\ZOND-12E 美国S-LAND 重庆地质仪器厂高密度电法 LB-20 7 质量保证

工作中严格执行相关规范、规程，作好“事前指导、中间检查”工作，内业资料整理严格按三校四审制度执行。为了保证该项目高质量的完成，将由多名完成过类似探测工作的技术骨干人员组成项目部，在项目全面开展期间可调动人员组成1~3个测试小组同时进行，以便按要求完成任务，相应质量保证体系见图7-1。

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项目经理 终检 项目技术负责

图7-1质量保证体系

施工或测试小组 初检查 小组技术负责 复检 8 安全控制

探测工作期间，应注意各工作面的交通与施工情况，加强安全监视。 施工作业时，应严格按相关工种规程规范对安全方面的要求施工；注意文明施工。

9 提交成果资料

每个探测单元工作完成后，2日内提交中间成果，在所有工作全部结束后，四周内编写《**区地下排水管网路面塌陷探测成果报告》。提供的具体探测成果如表9-1所示。

表9-1 提交主要成果汇总表 序号 1 产品名称 **区地下排水管网路面塌陷探测成果报告 2 3 4 雷达解释成果图 高密度电法解释成果图 地震映像解释成果图 17

比例尺 单位 份 数量 1式10份 套 套 套 1式10份 5 6 CCTV测试视频 测区综合探测成果图 套 张 10 本探测技术优势

1）本探测技术为无损探测，不会对施工现场本身产生震松、破损等影响； 2）本探测技术工作效率高，现场工作时间短，不会对周边施工造成影响，不会耽误施工工期；

3）与钻探等常规勘探方法相比，勘探结果只能针对某一勘探点，而本探测结果可控制整个探测深度范围内的排水管网塌陷情况；

4）本探测设备轻便，不像钎探、钻探等常规重型勘探需要涉及搬迁、抽水、接电等过程，不需要施工单位的配合，工作简单，探测费用相对低廉。

5）本技术在本单位已应用近30年，方法技术成熟可靠，探测经验丰富，成果全面直观。

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