近期在城市建设与规划工程中的应用成为网络焦点，我们通过专业视角对相关信息进行了梳理，期待这些内容能为您排忧解难。
一、城市地下管线探测
地下管线是人类生活的重要基础设施，构成城市的神经和循环系统，担负着传输信息、输送能量和排泄废物的工作。随着城市建设的快速发展，以前埋入地下的电缆和管线的位置、方向和埋深等情况不清，容易在建设和施工中挖断和损坏管线，造成环境的污染和破坏。因此，查明地下管线的分布对城市规划、设计、施工、建设和管理具有重要意义。
1.地下管线的分类和探测方法
（1）地下管线的分类
地下管线按其作用和应用范围可分为七类：给水管线（上水），排水（污水、雨水）管线（下水），燃气（煤气、液化气、天燃气）管线，热力（蒸气、热水）管线，工业（氢、氧、乙炔、石油、排渣）管线，电力（供电、路灯、电车）电缆，电信（市话、长话、广播、有线网络）电缆等。
地下管线按其物理性质可分为三类：由铸铁和钢材质组成的金属管道，如：给水、燃气、热力和工业管道等；由铜和铝材质组成（外用钢铠或铅皮包裹）的电缆，如电力、电讯和有线网络等；由水泥、陶瓷和塑料材质组成的非金属管道，如排水、工业管道和部分给水等。
（2）地下管线的探测方法
在管线复杂地段或检查仪器探测质量时仍需采用井中调查与开挖样洞（或简易触探）相结合的方法而目前被广泛使用的测量。井中调查与仪器探测相结合的方法。
从探测仪器和方法技术的应用效果和适用范围广来看，依次为频率域电磁法、磁梯度法、探地雷达和面波法等。
2.频率域电磁法探测地下管线
（1）频率域电磁法的原理
频率域电磁法是由发射装置向大地或管线发射连续的正弦波电磁场，其工作频率一般低于106 Hz，使导电性好的地下管线以直接（或感应）耦合的方式带“电”，接收装置在地面上探测流经管线中的电流（又称涡流）所产生的磁场。通过观测磁场的变化规律确定管线的位置，如图5-3-1所示。
图5-3-1 电磁感应原理示意图
（2）建立电磁场的方法
对管线探测可分为主动源和被动源两种方法。主动源是由发射装置选定讯号频率后，用直接（或感应）耦合法施加到管线上。被动源是利用超长通讯电台所发射的电磁波为场源，或利用动力电缆本身50 Hz频率来开展探测工作。
a.直接耦合法（交流充电法）
图5-3-2 直接耦合法示意图
直接耦合法是将发射装置的一端直接接到管线的出露点（井中管线）上，另一端垂直管线接地，此时被充电管线近似一无限长直导线中电流所产生的磁场（H=I／2πr）。探测该磁场分布，即能确定管线的水平位置和埋深，如图5-3-2所示。
b.感应耦合法
感应耦合法是用磁偶极源（发射装置）在地面上建立一个交变磁场，地下金属管线在一次磁场的作用下产生涡流，电流在管线中流动，产生二次磁场，地面接收机探测二次磁场的空间分布，确定管线的位置，如图5-3-3所示。
c.钳夹法
用管线钳卡住管线，在其周围产生一个环形磁场，这样在管线中同样产生了感应二次电流，用接收机探测二次磁场的空间分布，探测方法如图5-3-4所示。
图5-3-3 电磁感应法示意图
图5-3-4 夹钳法探测示意图
d.示踪法
对非金属管道，可把一个可移动的交变磁偶极源或一根示踪线放入其中，地面上接收机追踪源（或导线）的轨迹以探测非金属管道的位置，如图5-3-5所示。
（3）地下管线位置的确定
a.水平位置的确定
探测地下管线，主要利用磁场强度水平分量的极大值（Hx，H2x）、水平分量的差值ΔHx和垂直分量的极小值（Hz，H2z）的分布特征确定地下管线的平面位置。
b.埋深的确定
常用的测定管线埋深的方法有极值点法、70%法、45°测量法及水平分量垂向差分法。
极值点法即先用磁场垂直分量最小值定位后，仍保持垂直线圈接收状态，沿垂直管线方向移动，寻找最大值点，该点与定位点之间的距离即为埋深，如图5-3-6所示。
70%法即当在管线上方找到Hx极大值后，沿管线走向垂直方向左右移动，并保持线圈面与地面垂直，仪器的读数显示较极大值减小30%时，其间的水平距离即为地下管线的埋深，如图案5-3-7所示。
图5-3-5 示踪法示意图
图5-3-6 极大值法测深示意图
45°测量法即先用所测磁场垂直分量最小值法定位后，将接收线圈与地面成45°状态，再沿垂直管线方向移动，寻找最小值的点，该点与定位点之间的距离为埋深，如图5-3-8所示。
图5-3-7 70%法测探示意图
图5-3-8 45°法测量示意图
水平分量垂向差分法（又称梯度法）即用一对性能一致的接收线圈t、b以一定间隔（D）水平放置在同一垂线上，以测量管线正上方水平分量场强Ht、Hb。设管线埋深为h，管线中的感应电流为I，则在管线正上方地面上t点的磁场水平分量为：Ht=I/2πh，b点的磁场水平分量为Hb=I/2π（h+D），二者的比值为Ht/Hb=（h+D）/h，而h=hb·D/（Ht-Hb）。
3.应用实例
图5-3-9是对两根并行相距为2 m、埋深为0.95 m的暖气管道的探测结果。分别使用了单线圈的GXJ—2和双线圈的RD400管线探测仪。用RD400的双线圈进行梯度测量。
先将直立发射线圈放在1＃、2＃管线的中间位置，测线距发射线圈20 m，垂直管道走向布线，点距为0.25 m。图中实线为 RD400 探测的结果，虚线为 GXJ—2 的探测结果。图中（a）是用极大值法与梯度法所测得结果，图中极大值位置分别与管线相对应，但用RD400测得的ΔHx比用GXJ—2 所测得的Hx的峰值明显。图中（b）为采用垂直线圈接收磁场的垂直分量的实测结果，其极小值点不在管线的正上方，而是有些偏移。
图5-3-9 两根并行相距2 m、埋深0.95 m管线的探测结果图
图中（c）和（d）是用直立线圈放在1＃管线的正上方，使之不感应磁场。只剩下2＃管线的磁场，采用极大值法，梯度法、极小值法所测得的结果。可以看出，极大值和极小值分别与2＃管线相对应，1＃管已经没有信号。
深度探测结果：GXJ—2为1.10 m；RD400直接法为0.90 m；70%法为0.97 m。平均为0.935 m。
二、城市垃圾处理场地选址及地球物理探查
目前我国城市平均每人每天的垃圾排出量约为1 kg，且以每年10%的速度增长，若不能妥善处理，必将成为社会公害。
1.城市垃圾处理措施及填埋场环境要求
城市垃圾的处理主要是焚烧、堆肥和卫生填埋三种措施。我国大多数城市采用卫生填埋法，即一层垃圾，一层土交错填埋，边卸边压实，最后封土覆盖。
采用填埋处理，首先要选好场地，因地制宜地选择天然河塘、洼地、荒谷、废矿坑和废采石场等。但必须采取防渗和集气措施，尽可能减小对土壤、水源和大气的污染。因此，在选择场地时必须考虑下列地貌和地质因素：①必须选在洪泛区以外，尽量避开地面径流，防止填埋场地遭受水灾；②场地要有足够容量，并能顺利排泄地表水；③避开地震区、滑坡区、区域性断层通过区、矿床、溶洞、文物和珍贵动植物生长栖息地等；④距地下水水源地及其他水源地应大于200 m以上；⑤填埋场和底部应有厚1.5 m以上的粘土层。
2.垃圾填埋场污染勘查
城市垃圾中的有害物质对土壤和地下水的污染主要有两种类型：油类物和有害金属盐溶液。它们对土壤和地下水的污染有可能使地球物理场发生变化。例如，油类物可以使土壤和地下水的电阻率增高，使它们的介电常数降低；而金属盐溶液可以使土壤和地下水的电阻率降低，介电常数增高，激发极化效应增强。这就使得有可能使用电法勘探和地质雷达的方法来探查污染的范围和深度。
在我国，曾在江西用电阻率测深法探测含砷盐类污染了的地下水层，以便在开采地下水时对它进行封堵。由于含砷的地下水中，致害浓度甚低，故地下水的电阻率没有明显变化。但配合钻孔及取水化验，确定了被污染水的层位之后，用电阻率法探查这一层水的分布及变化，也同样取得好的结果。
激发极化方法利用地下水在人工电场的激发下产生极化，而产生二次电场，而该电场的大小又与地下水的含盐率有一定关系。所以，这种方法有可能用以探查地下水的被污染状况。
探地雷达通过向地下发射电磁波，电磁波在遇到介电常数不同的介质的界面会发生反射，用以探查土壤与地下水被污染的范围较有成效。美国曾用探地雷达对工业固体废料对地下水和土壤污染的深度和范围进行探查，图5-3-10是其中一部分记录，从图中可清楚地看到被污染的地下水与未被污染的地下水的图像有明显差别，物探结果与钻探取样化验的结果完全吻合。
图5-3-10 地质雷达探测地下水被污染一例
三、常时微动在城市建设与规划中的应用
1.评价建筑物的抗震性能
对建筑物进行地微动测量，可以得到其振动特性（优势周期和振幅）。如果其优势频率与该地天然地震的主频接近或一致，则应采取措施改善其振动特性，例如通过抗震加固施工来改善其抗震性能，如图5-3-11所示。
图5-3-11 建筑物的常时微动测量示意图
为评价一个三层建筑物的抗震性能，在抗震加固施工前后进行常时微动测量。测点分布为：屋顶平台布置5个，一层楼布置5个，屋外地表布置1个。测量水平方向两个分量，x方向与楼的短轴方向一致，y方向与楼的长轴方向一致。
图5-3-12为一个测点抗震施工前后的对比图。上图为观测波形，施工后的波形振幅减小，频率升高；中图为功率谱对比；下图为测点的功率谱与屋外地表测点功率谱之比。施工后，优势频率提高了1～2Hz。
图5-3-12 某建筑物抗震加固施工前、后的常时微动测量结果图
2.城市地震小区划
图5-3-13所示是日本几次大地震时房屋破坏率与常时微动卓越周期的关系。由图可见，几乎在所有情况下常时微动的卓越周期在0.4 s左右时，房屋的破坏率都最大，这是因为日本的旧民房基本是木制的，其固有周期一般都在0.4 s左右，显然，房屋破坏是由于共振作用造成的。
图5-3-13 房屋震害率与常时微动卓越周期的关系
1966年河北邢台地震，也发现常时微动与震害有较明显关系。表层黄土较薄（小于10 m）卓越周期小于0.1 s的地区，房屋破坏很轻，表层黄土较厚（20～30 m）卓越周期稍长（0.17～0.23 s）的地区，房屋破坏严重，表层黄土很厚（大于30 m），卓越周期大于0.23 s的地区，房屋破坏反而减轻。结果表明震害与卓越周期似有一定的关系。而卓越周期是表示地基振动特性最重要的量。为避免地震时建筑物自振周期与场地土卓越周期相同而发生共振，需进行地震小区划分，从而达到抗震防灾的目的。
3.利用周期和振幅对地基进行分类
中国工程建设标准化协会标准《场地地微振动测量技术规程》（CES74：95）根据场地地微动记录及周期—频度曲线，将场地土分为四类：
1）以基岩或坚硬土层为代表的坚硬场地土，其主要的周期成分为0.1～0.2 s；
2）以冲洪积层为代表的硬而厚的场地土，其主要的周期成分为0.2.～0.4 s；
3）以冲积层为代表的软而较厚的场地土，其主要的周期成分为0.4～0.6 s；
4）以人工回填土和淤泥质土为代表的异常松软而很厚的场地土，其主要的周期成分为0.6～0.8 s。
《建筑抗震设计规范》（GBJ11-1989）根据近震和远震的不同，将建筑场地划分为四类，如表5-3-1。
表5-3-1 不同类型场地土的特征周期（s）
图5-3-14 金井清的地基土分类方法
日本金井清所建议的方法是利用周期—频度曲线的解析结果，把微动的平均周期和最大周期，卓越周期和最大振幅结合起来，将地基土划分为四类，如图5-3-14所示。
即地基从Ⅰ类到Ⅳ类逐渐变软，微动周期变长。四种场地类别如下：第Ⅰ类：基岩、硬质砂砾、第三纪以前的地层；第Ⅱ类：砂砾层、以粉质粘土为主的洪积层；第Ⅲ类：砂层、粘性土、粉土为主的冲积层；第Ⅳ类：新填土、淤泥、很厚软弱层。
从1981年开始，日本的新抗震设计法规定地基类别按地微动的卓越周期划分为三类，如表5-3-2所列。
表5-3-2 日本新抗震设计法规定的地基类型
一般的方法是先用图5-3-14中的A方案判别，如果与场地的地质资料及前人的物探、钻探成果与所判定出来的地基类别有疑问的话，那么按图5-3-14中的B方案进行判别校正，当结果相差较大时，使用以下公式进行综合判别：
环境地球物理教程
式中：A、B分别指地基的类别；α、β 为修正系数，取值见表5-3-3。
表5-3-3
4.确定抗震设计反应谱
我国现行抗震设计规范的反应谱采用α谱或β谱两种曲线，两种形状相似仅差一个比例系数。不管采用那一种反应谱，均需考虑场地土的类别和特征周期。图5-3-15是《建筑抗震设计规范》（GBJ11-1989）所给出的地震影响系数图示，α为地震影响系数，α=a/g，式中a为地震加速度，g为重力加速度。α max为地震影响系数的最大值。图5-3-16是《公路工程抗震设计规范》（JT004-1989）所给出的设计反应谱，该规范图示规定动力放大系数β可根据结构计算方向的自振周期或基本周期和场地土的类别确定。
图5-3-15 地震影响系数α
图5-3-16 动力放大系数β
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(1)并行管探测实例
图12.15是对两根并行相距为2m、埋深为0.95m的暖气管道的探测结果。分别使用了单线圈的GXJ－2和双线圈的RD400管线探测仪。
图12.15两根并行相距2m、埋深0.95m管线的探测结果图
用RD400的双线圈进行梯度测量。先将直立发射线圈放在1#与2#管线的中间位置，测线距发射线圈20m，垂直管道走向布线，点距为0.25m。图中实线为RD400探测的结果，虚线为GXJ－2的探测结果。图12.15(a)是用极大值法与梯度法所测得结果，图中极大值位置分别与管线相对应，但用RD400测得的ΔHx比用GXJ－2所测得的Hx的峰值明显。图12.15(b)为采用垂直线圈接收磁场的垂直分量的实测结果，其极小值点不在管线的正上方，而是有些偏移。图12.15(c)和(d)是用直立线圈放在1#管线的正上方，使之不感应磁场，只剩下2#管线的磁场，采用极大值法、梯度法、极小值法所测得的结果。可以看出，极大值和极小值分别与2#管线相对应，1#管已经没有信号。
深度探测结果:GXJ－2为1.10m;RD400直接法为0.90m;70%法为0.97m。平均为0.935m。
(2)电信电力电缆探查实例
某地埋设一电信管块，管块呈“凹”字形，管块中的电缆布设不对称，
图12.16为夹钳法夹1号、2号电缆产生的ΔHz异常曲线，从图中可以看出，ΔHz曲线形状与管块中电缆的分布形状有很大关系，在实际工作中，由于电缆的分布形状经常变化，但在两相邻检修井之间是不变的，故在探查两相邻检修井之间管线数据时，可使用同一修正系数，但在探查下一两相邻检修井之间时，应从新确定修正系数。
图12.16用夹钳法激发对电信电缆探查的结果
图12.17为某地地下敷设的一组10kV高压电缆使用被动源工频法和主动源法异常的比较曲线，由异常曲线可见主动源法效果明显好于被动源法。当电力电缆以管块形式敷设时，探查方法与探查电信管块相同;当电力电缆以直埋形式敷设时，应尽量采用夹钳法进行探查，且应选择适当的频率，具体选择哪种频率，应根据实地情况而定，一般选择8kHz进行探查。
图12.17在三芯高压电缆上探查结果
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