劉傳逢，陳梅，劉文光

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

大型排水箱涵空間走向探查方法研究

劉傳逢?，陳梅，劉文光

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

針對(duì)城市大型排水箱涵探查難題提出兩種解決此類問(wèn)題的方法，一是利用管線探測(cè)儀一次交變磁場(chǎng)為箱涵定位，二是利用輔助線纜二次交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)箱涵的定位。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了利用管線探測(cè)儀輔以對(duì)講機(jī)探查地下隧道的可行性，并成功將該方法應(yīng)用到了工程實(shí)例中，試驗(yàn)與實(shí)踐證明了該方法可行。

大型排水箱涵；對(duì)講機(jī)；管線探測(cè)儀；交變電磁場(chǎng)

1 前 言

在城市道路路中地下空間10 m內(nèi)往往被承擔(dān)城市排澇任務(wù)的大型排水箱涵占據(jù)，而路中往往是立交橋與高架橋樁基礎(chǔ)布設(shè)的位置，因此摸清路中排水箱涵覆土深度、走向、斷面尺寸是城市立交橋或高架橋規(guī)劃設(shè)計(jì)的必要前提。管線探查遵循“從已知到未知”的原則，已知條件越多探查效率與精度越高，排水箱涵調(diào)查方法主要依靠開(kāi)井量測(cè)。因此查清其走向與尺寸的重要前提是明顯檢修井較多且井內(nèi)通視條件好，但現(xiàn)實(shí)中往往不具備上述條件。如我們?cè)谖錆h市排水箱涵探查中遇到很多難題，包括:

(1)路面鋪黑致使大量檢修井被覆蓋，即使使用井蓋儀找到井蓋也難以開(kāi)挖；

(2)井偏現(xiàn)象居多，開(kāi)井后難以量測(cè)到箱涵尺寸、難以看清支流方向；

(3)箱涵拐彎處或支流與主流交界處往往有一定弧度，開(kāi)井調(diào)查難以調(diào)查清楚，雷達(dá)探查效率低且定點(diǎn)密度與精度難以滿足設(shè)計(jì)與施工需求；

(4)示蹤法探頭缺乏動(dòng)力且不能準(zhǔn)確移動(dòng)到箱涵壁或中間。針對(duì)上述困難，本人根據(jù)管線儀探測(cè)原理，結(jié)合試驗(yàn)與工程實(shí)踐總結(jié)了一套大型排水箱涵的探查方法。

2 大型箱涵探查方法的設(shè)想

2.1 方法設(shè)想

眾所周知，金屬管線儀可以有效解決金屬管線的探測(cè)問(wèn)題，其原理是給目標(biāo)管線施加信號(hào)，利用接收機(jī)地面接收載流管線的二次交變磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律與電磁場(chǎng)空間分布規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的定位定深?？梢钥闯觯芫€探測(cè)關(guān)鍵是使目標(biāo)管線載有電流或攜帶某種可探測(cè)與分析的信號(hào)，由此我們考慮如果能夠人為給排水箱涵壁或中間施加信號(hào)，就可利用管線儀實(shí)現(xiàn)對(duì)排水箱涵的準(zhǔn)確定位。設(shè)想方法有兩種，一是沿箱涵壁或中間布設(shè)電纜線，利用充電法(或夾鉗法)給線纜充電，使線纜載有電流實(shí)現(xiàn)對(duì)箱涵的準(zhǔn)確定位與定深。二是工作人員將管線儀發(fā)射機(jī)帶入箱涵并沿箱涵前進(jìn)，地面工作人員利用管線儀追蹤發(fā)射機(jī)一次場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)箱涵的定位。

2.2 理論基礎(chǔ)與操作方法

第一種方法理論基礎(chǔ)是頻率域電磁法中的充電法。操作方法如圖1先開(kāi)啟箱涵兩個(gè)檢修井，工作人員在確保安全的前提下沿箱涵壁布設(shè)電纜，一端連接在一個(gè)檢修井蓋(或直接放入箱涵水中)作為接地極，另一端接在管線儀發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)接地極接地，開(kāi)啟發(fā)射機(jī)并利用接收機(jī)在地面追蹤目標(biāo)電纜，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱涵的定位與定深。

圖1 輔助線纜充電法探測(cè)箱涵示意圖

第二種方法理論基礎(chǔ)仍然是頻率域電磁法，不同之處是接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的一次交變場(chǎng)，該方法原理上相當(dāng)于磁偶極子示蹤法。磁偶極子的磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，如圖2所示，設(shè)在XOZ平面的原點(diǎn)處有一個(gè)垂直磁偶極子，則在該平面內(nèi)磁場(chǎng)的垂直分量HZ和水平分量HX分別如下式所示:

圖2 直角坐標(biāo)中的磁偶極子

由式(1)和式(2)可以看到，磁偶極子場(chǎng)有如下特點(diǎn):

(1)空間任意一點(diǎn)P處的磁場(chǎng)，與磁偶極矩M成正比，而與磁偶極子中心到P的距離r的三次方成反比(即隨距離的增加，衰減很快)換言之，磁偶極子場(chǎng)的能量很集中。

(2)從磁偶極子中心發(fā)出的任意射線上，磁力線的方向均一致，其中有三種最特殊的位置。

①在磁偶極子軸線上(即線圈軸線上，或稱高斯第一位置)

②在磁偶極子垂直面上(即線圈平面內(nèi)，磁偶極子的磁力線圖或稱高斯第二位置)

地下水平磁偶極子MX在地表面的磁場(chǎng)分布情況，假設(shè)三維坐標(biāo)原點(diǎn)O的正下方h深處有一個(gè)水平磁偶極子，則在XOZ平面內(nèi)，磁力線的分布如圖3所示。在過(guò)原點(diǎn)O的x和y的兩條主剖面線上，我們可以觀測(cè)到磁場(chǎng)水平分量和垂直分量相應(yīng)公式如下:

圖3 地下MX的磁力線分布圖

當(dāng)各分量均與HX的極大值歸一后，所得曲線如圖4所示。

圖4 地下MX在地面上各分量的歸一化曲線

圖4可看出在水平磁偶極子正上方(X＝0)時(shí)磁場(chǎng)水平分量取得最大值，且偏向兩側(cè)磁場(chǎng)衰減很快，也就是當(dāng)接收機(jī)在發(fā)射機(jī)正上方時(shí)信號(hào)最強(qiáng)，地面上沿發(fā)射機(jī)軸線前后信號(hào)逐漸衰減，且地面上垂直發(fā)射機(jī)軸線方向信號(hào)衰減很快，這正是利用一次交變磁場(chǎng)定位的原理。

操作方法如圖5一個(gè)作業(yè)員在安全措施周密的前提下攜帶管線儀發(fā)射機(jī)進(jìn)入箱涵，發(fā)射機(jī)緊靠箱涵壁(或記錄發(fā)射機(jī)中心與箱涵壁的距離)，地面作業(yè)員利用接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)信號(hào)，利用峰值法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的準(zhǔn)確定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)箱涵壁的定位。輔助工具是無(wú)線電通訊設(shè)備，保持地面上地面下作業(yè)員通訊通暢，并且兩作業(yè)員盡量同步前進(jìn)。

圖5 利用一次場(chǎng)實(shí)現(xiàn)箱涵定位示意圖

3 大型箱涵探查方法試驗(yàn)與工程實(shí)例

3.1 方法試驗(yàn)

2009年7月筆者在武漢王青路電力隧道竣工測(cè)量項(xiàng)目工地進(jìn)行了該方法試驗(yàn)。利用頻率域電磁法，借助對(duì)講機(jī)通訊聯(lián)絡(luò)，隧道內(nèi)、地面上分別利用管線儀的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)同步前進(jìn)，根據(jù)一次場(chǎng)分布特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)電力隧道的定位與定深。實(shí)地探測(cè)長(zhǎng)度50 m，定點(diǎn)5點(diǎn)，探測(cè)定位比對(duì)竣工測(cè)量資料，結(jié)果顯示5點(diǎn)定位精度均小于0.1 m，滿足有關(guān)技術(shù)要求。

3.2 工程實(shí)例

為配合武漢市二環(huán)線建設(shè)，武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)了二環(huán)線漢口段地下管線探測(cè)任務(wù)。二環(huán)線擬采取全程高架模式建于路中，發(fā)展大道與常青路交叉口排水箱涵分布復(fù)雜，沿常青路分布有14 m×2.8 m的排水箱涵(機(jī)場(chǎng)河箱涵)，發(fā)展大道路中分布有2.8 m ×2.0 m排水箱涵，在常青路口匯流于機(jī)場(chǎng)河排水箱涵，圖中線條為排水箱涵邊線，如圖6所示。

圖6 工程實(shí)例

管線探查時(shí)，由于路面黑色化檢修井P2、P3被覆蓋，P1井及P3上游的檢修井均距機(jī)場(chǎng)河排水箱涵不足50 m，因此探測(cè)員將發(fā)展大道箱涵直連入機(jī)場(chǎng)河箱涵(圖6中PS磚BH14000X2800箱涵)。在該路口高架橋設(shè)計(jì)異常困難，路中地下空間 3.8 m(內(nèi)寬2.8 m，壁厚約0.5 m)范圍被箱涵所占，兩側(cè)橋墩基礎(chǔ)緊挨箱涵壁布設(shè)。B104＃墩基礎(chǔ)位于P1井與機(jī)場(chǎng)河箱涵之間，施工時(shí)發(fā)現(xiàn)地下有箱涵，因此要求現(xiàn)場(chǎng)重新準(zhǔn)確調(diào)查該箱涵走向。此時(shí)因二環(huán)線施工開(kāi)挖露出P2、P3檢修井，同時(shí)打開(kāi)P1、P2、P3檢修井，工作人員攜帶管線儀發(fā)射機(jī)分別從P1、P3井進(jìn)入箱涵，與地面工作人員配合，接收發(fā)射機(jī)一次場(chǎng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)該段箱涵的準(zhǔn)確定位。結(jié)果顯示箱涵在該段變向連接主箱涵，原先設(shè)計(jì)B104＃墩基礎(chǔ)果然有一半壓蓋在該箱涵上。改正后的箱涵走向準(zhǔn)確，為該段高架橋橋墩修改設(shè)計(jì)與施工提供了重要依據(jù)。

4 結(jié) 論

根據(jù)方法實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用情況來(lái)看，利用管線探測(cè)儀一次交變磁場(chǎng)對(duì)地下箱涵定位方法是有效、可行的，筆者將在后續(xù)工作中進(jìn)行利用輔助線纜二次交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)箱涵的定位的方法研究。

[1] 李志華，宋恒力，魯永康.FDEM法探測(cè)地下管線的方法技術(shù)綜述[A].中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第22屆年會(huì)論文集，2006

[2] 王法剛，葉國(guó)弘.頻率域電磁法在探測(cè)地下管線中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，s1

The Study of Large Drainage Culvert Space Exploration Methods

Liu Chuanfeng，Chen Mei，Liu Wenguang
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

The urban problems of large drainage culvert propose two exploratory methods to solve this problem。First，use Alternating electromagnetic field generated by the transmitter to detector positioning for the culvert，and second，use the auxiliary cable alternating magnetic field to achieve the culvert location.By the experiments，Validate the use of pipeline detector combined with radio probe the feasibility of underground tunnels，and successfully The method is applied to the engineering example，the test and practice show that the method is feasible.

large drainage culvert；interphone；pipeline detector；alternating electromagnetic field

2011—01—23

劉傳逢(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事城市工程物探與地下工程測(cè)量技術(shù)工作。

1672－8262(2011)05－145－03

P631.3＋25

B