朱元彪，陳恒

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

非開挖技術(shù)，即采用非開挖的手段進(jìn)行地下管線施工敷設(shè)的技術(shù)。它是指在不開挖或少開挖地表的情況下，對(duì)各種管線進(jìn)行鋪設(shè)或更換。自該方法應(yīng)用以來(lái)，因成本低，對(duì)城市運(yùn)行影響少，對(duì)周邊環(huán)境破壞小以及在復(fù)雜地形地物區(qū)域的管道敷設(shè)施工效率高等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非開挖技術(shù)越來(lái)越多地用于穿越現(xiàn)狀道路，江河、建筑物等地下管線施工中。

非開挖技術(shù)施工的管線不同于開挖直接埋設(shè)的管線，采用非開挖技術(shù)敷設(shè)的地下管線有以下特點(diǎn):

(1)管線距離長(zhǎng)，一般為50 m～2 000 m范圍內(nèi);

(2)埋深及埋深變化范圍均很大，一般在3 m～10 m之間，在穿越特殊地形時(shí)甚至能達(dá)到 20 m～30 m;

(3)管線軌跡不確定性大，可能是直線也可能是曲線。且對(duì)于沒有開口的如給水、燃?xì)?、石油等管線在兩端均無(wú)露點(diǎn)。

因此，對(duì)此類管線的平面位置和深度的探測(cè)是管線探測(cè)的新難題。

常規(guī)的管線探測(cè)儀，通常用于解決埋深小于3 m的封閉管線探測(cè)問題。對(duì)于大埋深的非開挖管線來(lái)說(shuō)，以埋深10 m為例，使用磁力儀，探地雷達(dá)，通過(guò)單一的磁梯度儀可以較為準(zhǔn)確地解決埋深問題，埋深精度可達(dá)±0.4 m～±1 m，平面探測(cè)精度一般為±1 m。對(duì)于某些特定工程以及軌道施工來(lái)說(shuō)，更高的精度意味著更精準(zhǔn)的方案和更高的成本。本文根據(jù)管線施工的特點(diǎn)，對(duì)不同埋深，不同管徑的管線采用電磁法、磁梯度法、觸探法的組合方法，成功解決了各種特深管線的精確定位問題。

2 電磁感應(yīng)法及其局限性

電磁感應(yīng)法作為最常用的地下管線探測(cè)方法，主要通過(guò)地下管線與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異，根據(jù)電磁感應(yīng)原理分析電磁場(chǎng)空間分布規(guī)律從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下金屬管線定位的目的。對(duì)地面發(fā)射裝置供以某一頻率的交流電電流，稱一次電流，從而在地下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，稱一次磁場(chǎng)。地下管線在交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)作用下產(chǎn)生的電流，稱二次電流。地面接收裝置測(cè)定二次電流所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，來(lái)解算地下管線的空間位置。亦可把供電電極兩端一級(jí)接到金屬管線和另一極在遠(yuǎn)端接地，探測(cè)基本原理與電磁感應(yīng)法一致。

假設(shè)地下無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)體對(duì)應(yīng)地面投影產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量為HX、垂直分量為HZ。則有:

式(1)、(2)中:I為導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，單位為A，X管線中心與地面觀測(cè)點(diǎn)的水平距離，h為管線的埋深，單位均為m，HX、HZ的單位為A/m。在地下管線埋深分別為1 m、2 m、3 m、5 m的情況，假定供電電流I為2πA，HX、│HZ│的剖面理論曲線分別為圖1、圖2所示。

圖1 HX剖面理論曲線

圖2 │HZ│剖面理論曲線

從圖2可以看出:在供電電流一定的情況下，隨著埋深增加，HX的最大值急劇下降。當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深大于3 m時(shí)，HX曲線趨于平緩，無(wú)法找到最大值點(diǎn)。

從圖3可以看出:在供電電流一定的情況下，當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深小于3 m時(shí)，│HZ│曲線以較大的斜率過(guò)原點(diǎn)，管線的兩側(cè)上方│HZ│有極大值。當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深大于3 m時(shí)，曲線以平緩的斜率過(guò)原點(diǎn)，無(wú)法辨認(rèn)│HZ│極大值。

一般情況下，并非所有金屬管線探測(cè)儀都能探測(cè)長(zhǎng)距離、深埋(埋深〉4 m)的管線。通過(guò)使用較大發(fā)射功率的儀器，采取遠(yuǎn)端直連接地，增加功率和電流和施加低頻信號(hào)探測(cè)等措施可以增加一般管線探測(cè)儀的極限深度，為精確探測(cè)提供可供參考的初步數(shù)據(jù)。

3 磁梯度法探測(cè)原理

地球可視為一個(gè)兩極分別位于地理兩極附近的磁偶極子，在整個(gè)地球表面都有磁場(chǎng)的分布。因?yàn)榈厍虼艠O的位置時(shí)間不同發(fā)生變化，地磁場(chǎng)也會(huì)因時(shí)間和空間的不同而有所差異。但在某一特定工程領(lǐng)域內(nèi)，可認(rèn)為地磁場(chǎng)在該區(qū)域內(nèi)是固定的。在沒有磁性物質(zhì)干擾的空間內(nèi)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度就是地磁場(chǎng)，即背景場(chǎng)。

對(duì)于鐵磁性物質(zhì)而言，由于其自身磁化率非常高，受大地磁場(chǎng)的磁化作用，其周邊的磁場(chǎng)強(qiáng)度比背景場(chǎng)或其他物質(zhì)磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)都要強(qiáng)很多。對(duì)于天然分布的磁場(chǎng)而言稱之為磁異常。不同物體的磁性和空間分布的差異使其在空間磁場(chǎng)的分布特征也不同。在已知金屬管線周邊磁場(chǎng)分布的正演模型后，通過(guò)用專門的儀器來(lái)探測(cè)工程區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)分布，根據(jù)所測(cè)得的磁場(chǎng)分布特征數(shù)據(jù)匹配管線的正演模型即可推算出該管線的平面位置和深度信息。

在正演模型研究中，可以將局部區(qū)域內(nèi)的水平金屬管道簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體，如圖3所示。

磁性體沿管線方向無(wú)限延長(zhǎng)，磁位沿管線方向無(wú)變化。因此無(wú)限長(zhǎng)水平金屬管線在空間內(nèi)各磁場(chǎng)分量梯度值(垂直分量Zα、水平分量Hα)的表達(dá)式分別為:

圖3 水平金屬管線正演模型

式中MS為有效磁矩，MS=JS·S;JS為有效磁化強(qiáng)度;S為水平圓柱體的截面積;R為水平圓柱體的中心埋深;i為有效磁化傾角。

通過(guò)本文中電磁感應(yīng)原理分析可知，通過(guò)電磁法探測(cè)埋深很深的管線是不太可行的。但是通過(guò)在管線周邊鉆孔，將磁梯度儀放置于孔內(nèi)，在垂直方向上測(cè)量金屬管線垂直方向上的Zα曲線變化，效果較為明顯。

圖4為水平金屬管線同側(cè)不同水平距離垂直剖面上的Zα值的理論變化曲線。假設(shè)水平金屬管道的中心位置投影到地面上的零點(diǎn)，管中心上下各5 m，距離管線中心水平距離分別為0.5 m，1 m，1.5 m，2 m所建立模型后得到的垂直磁梯度正演理論曲線。從圖4可以看出，在接近金屬管道的鉆孔內(nèi)，Zα值隨深度的變化非常明顯，在1.5 m以外的部分，Zα值幾乎無(wú)變化。

圖4 無(wú)限長(zhǎng)金屬圓柱體在垂直剖面上的Zα梯度值理論曲線

4 觸探

在通過(guò)其他參考資料或者輔助技術(shù)手段對(duì)管線位置粗略探測(cè)后即可采用觸探方式將其精確定位。沿垂直管線走向截取該管線可能存在空間的橫斷面，在該橫斷面位置以某一間距依次鉆孔至接觸被測(cè)物體表面來(lái)探測(cè)被測(cè)物體的平面位置和埋深信息。當(dāng)對(duì)被測(cè)物定位精度要求很高時(shí)，用多個(gè)觸探定位點(diǎn)擬合被測(cè)物體幾何形狀能取得很好的效果。

然而隨著管線埋深的加大，觸探難度也隨之急劇增加。對(duì)于埋深較深的管線，首先其平面位置本身有著很大的不確定性;其次管壁兩側(cè)邊緣處切線斜率很大，即使接觸到管線也可能沿著管壁滑下，造成管線不在此處的“假象”;即使明確知道管線位置，也很難保證鉆孔的垂直度，鉆孔平面位置常會(huì)產(chǎn)生鉆孔深度10%甚至更大的偏差，從而導(dǎo)致觸探點(diǎn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)和管線幾何形態(tài)無(wú)法擬合。為實(shí)現(xiàn)精確鉆孔并接觸管線表面，可采取以下措施:

(1)保證鉆孔時(shí)鉆桿的垂直度

在鉆孔前用全站儀對(duì)擬采用的各個(gè)鉆桿進(jìn)行校驗(yàn)，鉆孔時(shí)用兩臺(tái)或多臺(tái)全站儀在鉆孔前及鉆孔時(shí)對(duì)鉆桿進(jìn)行多方位實(shí)時(shí)校正。實(shí)踐證明此方法能將鉆桿平面位置偏移控制在鉆桿長(zhǎng)度的1%以內(nèi)。

(2)分析管線可探測(cè)區(qū)間

充分考慮管線兩側(cè)可能出現(xiàn)側(cè)滑的區(qū)間及鉆孔的最大傾斜度，結(jié)合待探測(cè)管線的管徑，在假設(shè)管線位置為已知的情況下，精確計(jì)算出管線對(duì)應(yīng)地面可探測(cè)區(qū)域范圍。

(3)合理布設(shè)斷面

根據(jù)(2)中推算的管線和探測(cè)范圍，結(jié)合勘探現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況，設(shè)置一定的重疊度布設(shè)斷面，即可實(shí)現(xiàn)幾乎各種管徑管線的精確觸探。

5 應(yīng)用實(shí)例

寧波市某區(qū)天然氣供氣主管線，其平面位置橫穿寧波市軌道交通2號(hào)線一期工程設(shè)計(jì)的4條軌道線路，如圖5所示。該管道管徑為273 mm，采用非開挖頂管施工工藝，埋深變化差異大，無(wú)準(zhǔn)確可靠的埋深數(shù)據(jù)，在軌道線范圍內(nèi)最大埋深處約為10 m，與軌道的兩條設(shè)計(jì)輔線標(biāo)高十分接近，為確保盾構(gòu)施工安全，需要對(duì)此管線進(jìn)行精確探測(cè)。

鑒于該項(xiàng)目的特殊性，筆者采用了磁梯度法探測(cè)與觸探相結(jié)合的探測(cè)方式。在垂直于管線方向布設(shè)了3個(gè)斷面，在各斷面處進(jìn)行鉆孔探測(cè)(斷面1鉆孔K3、K4、K5，斷面 2 鉆孔 K1、K2，斷面 3 鉆孔 K10，K11，K12，K13)，成孔后將PVC套管下到鉆好的孔中，把磁梯度儀放入PVC套管管底，以0.1 m的間隔從孔底開始依次往上測(cè)量各點(diǎn)的磁梯度值。圖6、圖7、圖8分別為斷面1、斷面2、斷面3處磁梯度探測(cè)曲線。

圖5 磁梯度斷面布設(shè)示意圖

圖6 斷面1的磁梯度曲線

圖7 斷面2的磁梯度曲線

圖8 斷面3的磁梯度曲線

根據(jù)磁梯度曲線可以看出:

斷面1標(biāo)高-1.90 m～-3.90 m部位，磁梯度值劇烈波動(dòng)，燃?xì)夤艿闹行脑跇?biāo)高 -2.90 m處(埋深約6 m)。

斷面2標(biāo)高-4.00 m～-6.40 m部位，磁梯度值劇烈波動(dòng)，燃?xì)夤艿闹行脑跇?biāo)高 -5.60 m處(埋深約9.5 m)。

斷面3標(biāo)高-4.90 m～-6.90 m部位，磁梯度值波動(dòng)明顯，燃?xì)夤艿闹行脑跇?biāo)高 -5.90 m處(埋深約10 m)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在斷面3處采用觸探方法進(jìn)一步精確定位管線位置。由于該管線管徑小(僅為0.27 m)，埋深大(約為10 m)。綜合考慮管徑、埋深、不可觸探區(qū)間(鉆孔時(shí)因管線兩側(cè)因幾何曲線斜率較大鉆頭易從管壁滑下的區(qū)間)、鉆頭尺寸及鉆孔垂直度等影響因素，在假設(shè)管線中心平面位置的情況下可模擬計(jì)算出管線中心對(duì)應(yīng)地面可探測(cè)范圍。以本項(xiàng)目埋深10 m，管徑0.27 m，鉆頭尺寸0.09 m的探測(cè)為例，模擬后得出管線對(duì)應(yīng)地面可探測(cè)區(qū)間為垂直于管線走向0.176 m，考慮可能存在的其他因素的影響根據(jù)可探區(qū)間設(shè)置30%的重疊度即以0.12 m為間隔在磁梯度斷面間加密。如斷面3 K11所示最終實(shí)現(xiàn)大埋深小管徑的觸探，測(cè)得管線中心標(biāo)高為 -5.85 m。

6 結(jié)語(yǔ)

深埋管線的精確定位是地下工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中新的難題，常規(guī)的一些探測(cè)手段對(duì)深埋管線的精確定位束手無(wú)策。磁梯度法探測(cè)能夠精確、快速探測(cè)深埋金屬管線，取得了的良好的效果。在一定程度上解決了管線探測(cè)的問題，但同時(shí)磁梯度法探測(cè)相關(guān)理論不夠完善，操作方式無(wú)固定標(biāo)準(zhǔn)，受管徑、磁化傾角等因素影響，探測(cè)誤差也有一定未知性。觸探作為磁梯度探測(cè)的一種驗(yàn)證的探測(cè)手段，一方面能驗(yàn)證磁梯度探測(cè)結(jié)果，另外一方面通過(guò)磁梯度法和觸探的探測(cè)方法相結(jié)合，能進(jìn)一步提高探測(cè)精度，將埋深誤差控制在±10 cm以內(nèi)。在精密地下工程中有很強(qiáng)的使用意義。

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