一種利用重力非跨越式探測地下空間的方法與流程
2023-07-13 03:25:41
本發明涉及地下空間勘探技術領域，尤其涉及一種利用重力非跨越式探測地下空間的方法。
背景技術：
地下空間空洞包括地鐵工程、人防工程、排汙管道工程、地下室、地下車間、地下通道、熱力管道、電纜溝坑等，部分地區還有礦井通道、採煤通道等人為地下空洞，地下空間空洞大多具有分布隱秘，大小繁多，建設時期早晚不一等特點。
在城市地下空間空洞中，以地下室最為常見，近些年來伴隨著房價的上漲，住房租金的直線攀升，私挖亂建地下室擴大住宅面積現象日益普遍。這種規劃外的地下空間開發多由沒有設計圖、沒有施工圖、沒有監理、沒有監測、沒有資質，由包工頭組織的幾個民工構成的建設隊伍進行隱蔽施工。地下空間的無序開發對城市的發展、公共與民用建築和地下基礎設施都是嚴重威脅。這種沒有經過任何論證過程和工程許可開挖的地下室，將來可能會出現各種安全隱患，進而嚴重危害公共安全。與此同時，有關職能部門再進行檢查時，普遍會遇到「門一關，不承認」的情況，給執法過程帶來了很大的難題。因此，對於本領域技術人員來說，查明地下空間的破壞現狀，開展地下空間破壞摸底，以及監測地下空間破壞變化是亟需升入開展的工作。
從原理上講，地球表面的任何物體都受到地球重力的作用，地下空間的質量盈餘與虧損都能引起重力異常。重力異常值的變化與異常體的大小，以及異常體與觀測點之間的距離有關，可通過重力非接觸探測確定地 下空間的大小和邊界。高精度重力測量是現代科學技術的產物，目前的重力儀的的精度可以達到幾微伽，可以很好的解決一些小地質體、小構造引起的重力異常，現有技術中還沒有出現關於通過重力異常探測地下空間的方法的報導。
因此，如何發明一種利用重力非跨越式探測地下空間的方法是本領域技術人員有待解決的技術難題。
技術實現要素：
本發明提供了一種利用重力非跨越式探測地下空間的方法，可以在所需探測空間的外部通過數據的測量與計算，準確判斷出所需探測空間的地下是否存在地下空間，以及該地下空間的邊界和規模。
為解決上述技術問題，本發明包括以下的技術方案：
一種利用重力非跨越式探測地下空間的方法，包括如下步驟：
步驟1布設測線，沿所需探測空間位置的邊緣布設測線，保證每條測線上相鄰測點的點距是相等的；
步驟2重力數據採集，通過測量獲得所述測線各測點的相對重力值、相對高程和三維坐標；
步驟3數據處理，對所述步驟2中採集的所述測線的重力數據進行改正，然後以測點距離為橫坐標，測點相對重力值為縱坐標對改正後的重力數據進行擬合，並作出所述測線的重力數據的一階導數圖線；
步驟4測量結果表徵，找出所述步驟3中測線的重力數據的一階導數圖線的極值點位置，即可顯示所需探測空間位置的地下空間的邊界和規模。
具體地，所述步驟1中測線為水平長測線、垂直長測線和短測線中的任意一種或幾種。
作為優選地，所述水平長測線平行於所需探測空間位置的長邊進行布設，其長度在100米以上，與長邊的距離為1米，所述水平長測線上相鄰測點的點距為3米。
作為優選地，所述垂直長測線平行於所需探測空間位置的短邊進行布設，其長度在100米以上，與短邊的距離為1米，所述垂直長測線上相鄰測點的點距為3米。
作為優選地，所述短測線垂直於所需探測空間位置的長邊或短邊進行布設，且垂足為所述長邊或短邊的中點，所述短測線的長度在50米以上，其上相鄰測點的點距為3米。
作為優選地，所述重力數據的改正包括地形改正、固體潮改正、氣壓改正和零漂改正。
作為優選地，所述測線的重力數據的一階導數圖線的極大值點和極小值點之間的橫坐標差值為所需探測空間位置的地下空間的對應邊界長度。
進一步優選地，所述相對重力值選取CG-5重力儀進行測量，採用往返重複觀測法至少測量兩次，取多次測量的平均值；所述相對高程和三維坐標通過全站儀進行測量。
進一步優選地，所述測線端點位於不被地下空間影響的正常重力背景場內。
進一步優選地，所述測線跨越正常重力背景場和地下空間影響範圍，所述測線到地下空間的垂距小於地下空間的深度。
本發明的有益效果如下：
本發明的利用重力非跨越式探測地下空間的方法，採用測量重力儀三腳架中心孔高程的方法，精確測量重力儀中心的相對高程，提高重力地形改正精度，可以精確的將人工建築物的引力效應分離出來。
本發明還通過固體潮改正、氣壓改正和零漂改正對測得的重力數據進 行改正，有效提升了測量的精度。
本發明通過對不同類型測線進行組合使用，可以在所需探測空間的外部通過數據的測量與計算，準確判斷出所需探測空間的地下是否存在地下空間，以及該地下空間的邊界和規模。
附圖說明
圖1為本發明的測線布設圖；
圖2為本發明實施例中探測空間1的測線布設圖；
圖3為本發明實施例中探測空間1的E2測線重力數據圖線和水平一階導數圖線；
圖4為本發明實施例中探測空間2的測線布設圖；
圖5為本發明實施例中探測空間2的重力異常平面剖面圖；
圖6為本發明實施例中探測空間2的B1測線重力數據圖線和水平一階導數圖線(距目標體1.1米)；
圖7為本發明實施例中探測空間2的B2測線重力數據圖線和水平一階導數圖線(距目標體4.6米)。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
本發明具體實施方式的利用重力非跨越式探測地下空間的方法，包括如下步驟：
步驟1布設測線，沿所需探測空間位置的邊緣布設測線，保證每條測線上相鄰測點的點距是相等的；
步驟2重力數據採集，通過測量獲得所述測線各測點的相對重力值、相對高程和三維坐標；
步驟3數據處理，對所述步驟2中採集的所述測線的重力數據進行改 正，然後以測點距離為橫坐標，測點相對重力值為縱坐標對改正後的重力數據進行擬合，並作出所述測線的重力數據的一階導數圖線；
具體地，重力數據的改正包括地形改正、固體潮改正、氣壓改正和零漂改正。
步驟4測量結果表徵，找出所述步驟3中測線的重力數據的一階導數圖線的極值點位置，即可顯示所需探測空間位置的地下空間的邊界和規模。
具體地，測線的重力數據的一階導數圖線的極大值點和極小值點之間的橫坐標差值為所需探測空間位置的地下空間的對應邊界長度。
本發明的數據在測量過程中，按照GB/T 17944-2000《加密重力測量規範》和GB50026-2007《工程測量規範》中的要求執行，確保數據的真實性、準確性和可靠性。相對重力值選取CG-5重力儀進行測量，採用往返重複觀測法至少測量兩次，取多次測量的平均值。相對高程和三維坐標通過全站儀進行測量，由於重力異常是地形起伏及測點周圍人工建築物等引起的疊加引力效應，而並非某一異常質量的單獨作用，採用測量重力儀三腳架中心孔高程的方法可以精確測量重力儀中心的相對高程，從而提高重力地形改正精度，更加精確的將人工建築物的引力效應分離出來。
圖1為本發明具體實施方式的測線布設圖。具體地，測線為水平長測線、垂直長測線和短測線中的任意一種或幾種。水平長測線平行於所需探測空間位置的長邊進行布設，其長度為100米，與長邊的距離為1米，所述水平長測線上相鄰測點的點距為3米，即圖1中的測線1和測線2。垂直長測線平行於所需探測空間位置的短邊進行布設，其長度為100米，與短邊的距離為1米，所述垂直長測線上相鄰測點的點距為3米，即圖1中的測線3和測線4。短測線垂直於所需探測空間位置的長邊或短邊進行布設，且垂足為所述長邊或短邊的重點，所述短測線的長度為50米，其上相鄰測點的點距為3米，即圖1中的測線5、測線6和測試7。
本具體實施方式示例給出如下覆核本發明目的重力儀測量精度要求及坐標和高程測量要求，具體如下：
1.1重力儀測量精度要求
①讀數解析度：1微伽
②典型重複性：小於5微伽
③測量範圍：8,000毫伽(無重設置)
④長期剩餘漂移：小於0.02毫伽/天
⑤自動傾斜補償：±200arc sec
⑥劇烈震動(達20G時)所引起誤差小於5微伽
⑦自動校正補償：潮汐、儀器傾斜、溫度、噪聲採樣等
⑧環境溫度係數：0.2微伽/度(典型值)
⑨壓力係數：0.15微伽/千帕(典型值)
1.2坐標和高程測量精度要求
實施例1
(1)布設測線
圖2為本發明實施例中探測空間1的測線布設圖。沿探測空間1的邊沿布設E1、E2、E3和N1四條測線，共有124個測點，每條測線的相鄰測點的間距均為3米。其中，測線E2和E3平行於探測空間1的長邊，為水平長測線，E2和E3與探測空間1的長邊的距離均為1米；E1和N1分別垂直於探測空間1的短邊與長邊，為短測線。
(2)重力數據採集
通過測量獲得E1、E2、E3和N1四條測線各測點的相對重力值、相對高程和三維坐標。相對重力值選取CG-5重力儀進行測量，採用往返重複觀測法至少測量兩次，取多次測量的平均值。相對高程和三維坐標通過全站儀進行測量，採用測量重力儀三腳架中心孔高程的方法可以精確測量重力儀中心的相對高程。
(3)數據處理
對所述步驟(2)中採集的測線的重力數據進行地形改正、固體潮改正、氣壓改正和零漂改正，本實施例以E2測線為例，以E2測線的各測點距離為橫坐標，E2測線的各測點的相對重力值為縱坐標對改正後的重力數據進行擬合得到重力數據圖線，通過水平導數計算作出E2測線的重力數據的一階導數圖線，具體如圖3所示。
(4)測量結果表徵
圖3為本發明實施例中探測空間1的E2測線重力數據圖線和水平一階導數圖線。在圖3中找出E2測線的重力數據的一階導數圖線的極值點位置，即可顯示所需探測空間位置的地下空間的邊界和規模。
從圖3的重力數據圖線可以看出，相對重力值在靠近探測空間1時有明顯地負異常反映，這是由於探測空間1的地下存在足夠的低密度或零密度值空間，且其上部建築存在足夠的降低重力異常值的密度體，因此圖3很好的說明了探測空間1存在地下空間(或地下室)。從圖3的水平一階導數圖線可以看出，E2測線的一階導數圖線在19號點附近為極大值，43號點附近為極小值，剛好與探測空間1的東北角位置吻合；在43號點附近為極小值，剛好與探測空間1的西北角位置吻合。所以本發明的利用重力非跨越式探測地下空間的方法，可以在所需探測空間的外部通過數據的測量與計算，準確判斷出所需探測空間的地下是否存在地下空間(或地下室)，同時還可判斷出所需探測空間位置的地下空間(或地下室)的邊界和規模。
實施例2
(1)布設測線
圖4為本發明實施例中探測空間2的測線布設圖。沿探測空間2的邊沿布設了B1和B2兩條測線，共有73個測點，每條測線的相鄰測點的間距均為3米。其中，測線B1平行於探測空間2的短邊，為垂直長測線，B1測線與探測空間2的短邊的距離為1米；B2測線用於排除幹擾，B2測線與探測空間2的短邊的距離為4.6米，與另一側建築的距離為1米，因為探測空間2位於狹長型建築群內，布設測線位置兩側均有建築且距離較近，可能會影響測量的準確性，故引入B2測線用於排除幹擾。
(2)重力數據採集
通過測量獲得B1和B2兩條測線各測點的相對重力值、相對高程和三維坐標。相對重力值選取CG-5重力儀進行測量，採用往返重複觀測法至少測量兩次，取多次測量的平均值。相對高程和三維坐標通過全站儀進 行測量，採用測量重力儀三腳架中心孔高程的方法可以精確測量重力儀中心的相對高程。
(3)數據處理
對所述步驟(2)中採集的測線的重力數據進行地形改正、固體潮改正、氣壓改正和零漂改正，作出測線B1與B2的重力異常平面剖面圖，具體如圖5所示。然後，本實施例再以測線B1與B2為例，以測線B1與B2的各測點距離為橫坐標，測線B1與B2的各測點的相對重力值為縱坐標對改正後的重力數據進行擬合得到重力數據圖線，通過水平導數計算作出B1和B2測線的重力數據的一階導數圖線，具體如圖6和圖7所示。
(4)測量結果表徵
圖5為本發明實施例中探測空間2的重力異常平面剖面圖。通過圖5可以看出，測線B1與B2在靠近探測空間2時，相對重力值均有很明顯地負異常反映，這是由於該位置處的地下有足夠的低密度或零密度值空間，但由於測線B1與B2兩側均有建築且距離較近，此時無法判斷出該地下空間(或地下室)是位於靠近測線B1的一側，還是位於靠近B2測線的一側。然後判斷測線B1與B2的負異常幅度，從圖5中可以看出，測線B1的負異常幅度明顯大於測線B2，因此地下空間(或地下室)位於靠近B1測線的一側，即探測空間2存在地下空間(或地下室)。
圖6為本發明實施例中探測空間2的B1測線重力數據圖線和水平一階導數圖線。在圖6中找出B1測線的重力數據的一階導數圖線的極值點位置，即可顯示探測空間2的地下空間的邊界和規模。從圖6的重力數據圖線可以看出，相對重力值在靠近探測空間2時有明顯地負異常反映，從圖6的水平一階導數圖線可以看出，B1測線的水平導數在22號點和26號點處出現極值，與探測空間2的邊界位置吻合。
圖7為本發明實施例中探測空間2的B2測線重力數據圖線和水平一階導數圖線。從圖7中可以看出，B2測線的水平導數在20號點和29號 點處出現極值，與圖6中的B1測線極值點的位置相比，B2線的極值點外擴了2～3個點距，從這個角度也可以判斷出地下空間(或地下室)位於靠近B1測線的一側，即探測空間2存在地下空間(或地下室)。
綜上所述，本發明的利用重力非跨越式探測地下空間的方法，採用測量重力儀三腳架中心孔高程的方法，精確測量重力儀中心的相對高程，提高重力地形改正精度，可以精確的將人工建築物的引力效應分離出來。
本發明還通過固體潮改正、氣壓改正和零漂改正對測得的重力數據進行改正，有效提升了測量的精度。
本發明通過對不同類型測線進行組合使用，可以在所需探測空間的外部通過數據的測量與計算，準確判斷出所需探測空間的地下是否存在地下空間，以及該地下空間的邊界和規模。
以上所述實施例僅僅是本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護範圍內。
以上所述實施例僅僅是本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護範圍內。