一种基于井外近壁孔与井内壁电极的沉井井壁完整性监测方法与流程

本发明涉及沉井工程结构健康监测、地球物理电法检测及地下工程无损检测，具体涉及一种基于井外近壁孔与井内壁电极的沉井井壁完整性监测方法。

背景技术：

1、沉井是桥梁基础、水利工程、市政工程、地下竖井及大型地下构筑物施工中广泛应用的基础结构，通常由钢筋混凝土井壁构成，通过取土、自重下沉等工序逐步达到设计标高。沉井施工周期长、受力状态复杂，在制作、接高、下沉、纠偏及封底等施工过程中，井壁易受不均匀土压力、地下水作用、施工扰动及混凝土质量缺陷等因素影响，产生裂缝、空洞、蜂窝、夹泥、渗漏通道及局部破损等结构缺陷，对施工安全和工程质量构成隐患。因此，及时、准确地监测沉井井壁完整性，是保障沉井施工与运行安全的关键技术环节。

2、电法探测是利用地下介质电阻率差异识别结构异常的地球物理检测方法，通过向目标介质施加稳定电流，测量不同位置的电位差或视电阻率变化，可识别裂缝、空洞、渗漏通道及其他内部缺陷，具有无损、快速、适用于大尺度结构监测等特点，已广泛应用于岩土工程、地下结构及混凝土构筑物检测领域。

3、目前针对沉井井壁完整性的电法监测，通常采用井外双孔跨孔电法，即在沉井两侧土体中分别布设监测孔，两孔内均安装电极，通过两个井外监测孔之间进行供电与测量，依据电阻率反演结果分析沉井及周围介质是否存在异常。但该技术在实际应用中存在以下不足：

4、其一，监测对象为大范围整体区域，无法区分单面井壁。该方法本质属于整体跨孔监测，电流传播路径依次经过井周土体、一侧井壁、井内空间、另一侧井壁及另一侧井周土体，最终获得多介质共同作用的综合电性响应。当某一面井壁局部出现缺陷时，其异常响应易与其他井壁、周围土体的响应相互叠加，仅能反映整体异常，无法准确判断异常所属井壁，难以实现不同井壁的独立评价。

5、其二，井周土体干扰严重，缺陷识别精度低。沉井周围土体常处于饱和、高含水率或泥浆扰动状态，电阻率波动较大。传统跨孔电法的电流需经过长距离井周土体，土体电性变化易对监测结果产生干扰，在地下水丰富或施工泥浆较多的工况下，甚至可能掩盖井壁自身的异常响应。

6、其三，无法满足矩形沉井精细化监测需求。矩形沉井通常包含四面井壁，各井壁的受力条件、施工质量及损伤演化过程存在差异。传统井外双孔跨孔电法无法针对单面井壁建立独立监测单元，仅能获得整体电性变化信息，无法分别评价各井壁完整性状态，难以满足施工全过程中精细化监测、独立预警和针对性处置的工程需求。

7、综上，沉井井壁完整性监测的核心技术问题并非单纯增加监测孔数量，而是建立面向单面目标井壁的分区穿透式电法监测方法，使每组电极组合对应一面目标井壁，在目标井壁及其邻近区域形成高灵敏度主敏感区，实现各目标井壁的独立采集、独立成像与独立评价，提升监测精细化程度与异常定位能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于井外近壁孔与井内壁电极的沉井井壁完整性监测方法，解决传统井外双孔跨孔电法存在的监测覆盖范围过大、单面井壁无法独立评价、井周土体干扰显著、井壁缺陷定位精度不足等问题，实现沉井井壁的分区化、精细化及全过程动态监测。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于井外近壁孔与井内壁电极的沉井井壁完整性监测方法，包括以下步骤：

3、s1目标监测区域划分：根据沉井结构形式，沿沉井周向将井壁划分为至少两个相互区分的目标监测区域，每个目标监测区域对应一面目标井壁或一个井壁分区。

4、具体地，对于矩形沉井，沿周向依次将四面井壁确定为第一目标井壁、第二目标井壁、第三目标井壁和第四目标井壁，每面目标井壁均作为独立监测对象；对于圆形沉井或多边形沉井，按周向或结构分区将井壁划分为若干目标监测区域。

5、s2监测电极体系布设：在每一目标监测区域的外侧设置井外近壁孔，井外近壁孔内沿深度方向布设外部电极列；在每一目标监测区域的内侧沿井壁高度方向布设井内壁电极列；针对每一目标监测区域，在其周向两端附近分别对应设置一列外部电极列和一列井内壁电极列，且所述外部电极列与井内壁电极列分别位于目标井壁的外侧和内侧；相邻的一列外部电极列与一列井内壁电极列组合形成一个单面井壁穿透监测单元，相邻目标监测区域的监测单元能够共用外部电极列或井内壁电极列。

6、作为一种优选实施方式，当沉井为矩形沉井时，共设置两列外部电极列与两列井内壁电极列；两列外部电极列分别布设于沉井外侧的两个对角位置的井外近壁孔内，两列井内壁电极列分别布设于沉井内侧的另外两个对角位置；四列电极沿沉井周向按井内壁电极列、外部电极列、井内壁电极列、外部电极列的顺序交替排列，相邻两列电极组合形成分别对应四面目标井壁的四个单面井壁穿透监测单元，每列电极由相邻的两个监测单元共用。

7、进一步地，所述井外近壁孔沿目标井壁高度方向设置，孔深覆盖目标井壁的待监测深度范围；井外近壁孔与目标井壁外表面的间距满足：使对应监测单元的电极组合形成的主敏感区覆盖目标井壁的待监测范围，且降低远场井周土体对监测响应的干扰；井外近壁孔可采用钻孔、预留孔、套管孔、监测管孔等孔状结构，其与目标井壁的间距可通过电场正演模拟、灵敏度分布分析、现场标定试验确定。

8、进一步地，所述外部电极列包含多个沿孔深布设的外部电极，可采用等间距或非等间距布设，重点监测部位可局部加密；外部电极可选用不锈钢电极、铜电极、石墨电极、导电合金电极等，通过导电填充材料或径向接触结构与孔壁保持稳定电接触，并通过线缆连接至电法采集装置。

9、所述井内壁电极列包含多个沿井壁高度方向布设的内部电极，竖向布设范围与对应外部电极列相匹配；内部电极可采用预埋式、嵌入式、贴附式、锚固式等安装方式，新建沉井可在井壁制作或接高过程中预埋，已建沉井可通过表面固定、浅槽埋设等后装方式安装；内部电极安装后采取绝缘、防水、线缆保护措施。

10、s3分区穿透式电法采集：针对每个单面井壁穿透监测单元，在其外部电极列与井内壁电极列之间选择供电电极与测量电极进行组合供电和电位测量，采集得到对应目标监测区域的电性响应数据；各监测单元的电性响应数据分别编号、分别存储，当前监测单元采集时，未参与采集的其余电极处于断开或高阻隔离状态。

11、进一步地，各单面井壁穿透监测单元按预设顺序轮巡采集；当前监测单元采集时，未参与采集的其余电极处于断开或高阻隔离状态，减少电性串扰；每组采集数据均关联记录对应目标井壁编号、监测单元编号、电极编号与空间坐标、采集时刻及沉井下沉深度。

12、采集时，从监测单元的两列电极中选取供电电极a、b和测量电极m、n，可采用供电电极a与测量电极m选自同一列、供电电极b与测量电极n选自另一列的组合方式，按预设间隔与扫描顺序逐步切换；采集并记录供电电流、电位差、电阻、视电阻率等电性响应参数。

13、所述穿透式采集指外部电极列与井内壁电极列分置目标井壁内外侧且靠近两端，电极组合形成从井壁外侧向内侧斜向穿过目标井壁、沿井壁长度与高度方向延伸的观测区域，在目标井壁及其邻近区域形成相对于非目标井壁、远场土体具有较高相对灵敏度的主敏感区。

14、s4分区完整性评价：在沉井井壁处于已知完整状态或相对稳定状态时，针对各目标监测区域分别获取或建立基准电性数据和分区基准电性模型；对各监测单元当前采集的电性响应数据分别进行预处理和电性成像，将当前电性响应数据或成像结果与对应目标监测区域同一数据层级的基准数据、基准模型或上一监测时刻结果进行比较，识别电性异常区域，并分别对各目标监测区域的井壁完整性进行独立评价。

15、进一步地，进行电性成像时，针对每个单面井壁穿透监测单元分别建立正演模型与反演模型，模型纳入目标井壁、相邻井壁、近壁土体、井内空间、井壁配筋、井外近壁孔及电极接触条件，并根据灵敏度分布对目标井壁对应的主敏感区设置反演约束，使反演成像结果针对性反映目标井壁区域的电性变化。

16、进一步地，在沉井井壁处于完整稳定状态时，针对各目标监测区域分别采集初始电性数据，建立对应各目标监测区域的分区初始电性模型，作为井壁完整性评价的基准电性数据；初始电性模型可采用初始电阻值、视电阻率数据集、电阻率分布图等形式，不同目标井壁分别建模以消除井壁厚度、配筋、材料差异带来的背景影响。

17、进一步地，将当前监测得到的电性成像结果与对应目标监测区域的基准电性数据或上一时刻监测数据对比，或者将当前电性成像结果与对应的基准成像结果或上一监测时刻的成像结果进行比较，识别超出预设阈值的电性异常区域；结合异常区域的空间位置、形态、变化趋势及现场工况，判别井壁是否存在裂缝、空洞、蜂窝、夹泥或渗漏通道缺陷，并按异常幅值、范围与发展速率将井壁完整性划分为不同等级。

18、进一步地，沉井下沉施工过程中，井内壁电极列随沉井同步下沉，井外近壁孔内的外部电极列相对地层保持固定；每次采集前，根据沉井当前下沉深度更新内外电极的相对高程关系，选择高程匹配的电极组合，并采用更新后的电极坐标建立电性成像的正演与反演模型，按照预设时间间隔、预设下沉量、预设施工节点或预设风险条件进行重复采集，消除电极位置变化导致的伪异常。

19、s5整井结果融合：将各目标监测区域的完整性评价结果按其在沉井上的实际空间位置进行拼接融合，生成沉井整体井壁完整性分区评价图与综合预警信息，输出包含异常位置、深度、幅值、变化趋势、完整性等级及处置建议的综合监测结果。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、1）实现井壁分区独立监测，异常来源清晰可辨；本发明针对沉井不同井壁分别建立单面井壁穿透监测单元，使各面井壁成为独立监测对象，解决了传统井外双孔跨孔电法中不同井壁响应相互混合、异常来源难以区分的技术问题；

22、2）形成目标井壁主敏感区，提升缺陷响应灵敏度；通过井外近壁孔外部电极与井内壁电极的跨列组合观测，在目标井壁及其邻近区域形成相对于非目标井壁、远场土体的高相对灵敏度主敏感区，显著提升对单面井壁完整性变化的响应能力；

23、3）缩短土体耦合路径，降低环境干扰影响；井外近壁孔紧邻目标井壁设置，缩短了外部电极与目标井壁之间的土体传播距离，减少远场井周土体对监测响应的贡献，有利于降低高含水土体、地下水及施工泥浆变化对监测结果的干扰；

24、4）支持分区成像与整井融合，兼顾精细化与整体性；可对矩形沉井四面井壁或其他形状沉井的多个分区分别采集、成像与评价，同时可将各分区结果空间融合，形成沉井整体井壁完整性分区评价结果，满足不同层级的监测需求；

25、5）适配施工全过程动态监测，追踪缺陷演化；可在沉井制作、接高、下沉、纠偏、封底及运行全周期重复采集，通过各井壁独立的初始电性模型与时序监测数据，可识别井壁异常的产生、扩大、迁移及发展趋势，实现动态预警；

26、6）布设方式灵活，工程适应性强；内部电极支持预埋、嵌设、贴附、后装等多种安装方式，井外近壁孔与外部电极列可根据沉井结构、施工条件灵活调整，适用于新建与已建沉井，适配多种工程场景；

27、7）共用式电极布置方案，降低实施成本；针对矩形沉井的优选方案中，采用两列外部电极与两列井内壁电极周向交替布置，相邻监测单元共用电极列，在形成四个分区监测单元的同时，减少了井外钻孔、电极、线缆与采集通道的数量，降低系统布设成本与施工干扰；

28、8）主敏感区约束反演，提升结果解释性；通过在反演建模中纳入目标井壁主敏感区约束，使成像结果更聚焦于目标井壁区域，提高监测数据的针对性与工程解释能力，减少非目标区域的干扰误判。