徐長(zhǎng)虹，何文峰，韋者良

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波315000)

一、引 言

城市軌道交通工程一般處在城市繁華區(qū)域，基礎(chǔ)深、線(xiàn)路長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大，因此城市軌道交通工程項(xiàng)目對(duì)地下管線(xiàn)探測(cè)的精度要求也比較高［1］。城市軌道交通工程地下管線(xiàn)探測(cè)有如下特點(diǎn):

1)探測(cè)場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜。由于城市軌道交通工程線(xiàn)路周邊建筑物密集，市政設(shè)施(道路、橋梁)眾多，地形、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，有些甚至下穿河流、橋梁，對(duì)地下管線(xiàn)探測(cè)精度的影響比較大［2］。

2)探測(cè)空間比較大，縱向較深。城市軌道交通工程建設(shè)開(kāi)挖基礎(chǔ)比較深，一般在15～25 m左右，有的甚至超過(guò)30 m［2，6］，因此，要求管線(xiàn)探測(cè)的縱向范圍比較深，明顯深于一般市政工程的探測(cè)深度。

3)要求管線(xiàn)探測(cè)的成果質(zhì)量高、風(fēng)險(xiǎn)大。管線(xiàn)探測(cè)的成果直接用于城市軌道交通工程設(shè)計(jì)、遷改和施工，成果的準(zhǔn)確性和可靠性、探測(cè)的精度直接影響城市軌道交通工程建設(shè)工程質(zhì)量和安全［3］。探測(cè)數(shù)據(jù)精度低、可靠性差的成果資料在使用過(guò)程中不僅不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，還可能造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失［3-4］。

在軌道交通工程建設(shè)前期工作中，常常涉及軌道沿線(xiàn)深埋天然氣及給水管線(xiàn)精確定位［5］。為了滿(mǎn)足這些管線(xiàn)精確定位，本文深入研究磁梯度與精確鉆孔技術(shù)在軌道交通工程中軌道沿線(xiàn)深埋天然氣及給水管線(xiàn)的探測(cè)應(yīng)用，為深埋大管徑管線(xiàn)的探測(cè)提出了切實(shí)可行的方法。同時(shí)，使管線(xiàn)信息化能力和水平適應(yīng)我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要。

二、磁梯度技術(shù)

1．磁梯度原理

在正演模型研究當(dāng)中，可以將水平金屬管道局部區(qū)域簡(jiǎn)化成為一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體，如圖1所示［7］。

圖1 水平金屬管線(xiàn)正演模型

磁性體沿管線(xiàn)方向無(wú)限延長(zhǎng)，磁位沿管線(xiàn)方向無(wú)變化?？偞艌?chǎng)異常為［8］

磁場(chǎng)的垂直分量Z，水平分量H可表示為

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

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)在管線(xiàn)的周邊鉆孔，將磁梯度儀碳棒放置于鉆孔內(nèi)，測(cè)量金屬管線(xiàn)垂直方向上的Zα曲線(xiàn)變化，效果比較明顯。

圖2為水平金屬管線(xiàn)相同一側(cè)不同水平距離垂直剖面上的Zα值的理論變化曲線(xiàn)圖。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(xiàn)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(xiàn)。

圖2 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(xiàn)

2．誤差控制

(1)模型誤差

在實(shí)際中，地下管線(xiàn)不是無(wú)限長(zhǎng)的，往往還有分支和轉(zhuǎn)折。理論計(jì)算表明，當(dāng)一段管線(xiàn)的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于埋深h時(shí)，管線(xiàn)中心剖面上磁場(chǎng)特征點(diǎn)坐標(biāo)、極值與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體的特征點(diǎn)坐標(biāo)、極值很接近，磁場(chǎng)極值的比值見(jiàn)表1，特征點(diǎn)位置差見(jiàn)表2［8］。

表1 有限長(zhǎng)管線(xiàn)與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體中心剖面特征點(diǎn)位磁場(chǎng)比值表

表2 有限長(zhǎng)管線(xiàn)與無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體中心剖面特征點(diǎn)位置差表

由表2可知，當(dāng)L＞6h時(shí)特征點(diǎn)的位置差Δ%＜10%;當(dāng)L＞20時(shí)，Δ%＜2%。在選擇磁梯度探測(cè)位置時(shí)通過(guò)搜集管道資料，判定是否采用該探測(cè)模型。

(2)因磁化傾角產(chǎn)生的測(cè)量誤差

因?yàn)榇呕瘍A角的存在，豎直鉆孔所獲得的磁梯度特征數(shù)據(jù)的所對(duì)應(yīng)的并不是管道中心的位置，在管道兩側(cè)等距對(duì)稱(chēng)鉆孔時(shí)，以磁化傾角45°為例，磁梯度曲線(xiàn)示意圖如圖3所示。

圖3 管道異側(cè)等距磁梯度理論曲線(xiàn)

在管道同側(cè)不等距探測(cè)的磁梯度曲線(xiàn)示意圖如圖4所示。

圖4 管道同側(cè)不等距磁梯度理論曲線(xiàn)

通過(guò)在管道兩側(cè)對(duì)稱(chēng)處進(jìn)行磁梯度探測(cè)，對(duì)探測(cè)成果按與管道距離分配權(quán)重后采用加權(quán)平均法計(jì)算管道中心埋深。

(3)磁梯度感應(yīng)點(diǎn)不準(zhǔn)確引起的誤差

磁梯度技術(shù)的一般采用的硬件平臺(tái)為CCT-3型磁探儀，設(shè)計(jì)用于探測(cè)沉船、橋墩及建筑物的樁基等水下和井中鐵磁性物體。適用地磁場(chǎng)范圍:±60 000 nT(±5%)，磁場(chǎng)梯度分辨率可達(dá)0．1 nT［9］。

由于設(shè)備本身設(shè)計(jì)并非用于精確探測(cè)，設(shè)備的梯度感應(yīng)點(diǎn)是未知的，因此可以通過(guò)正演磁場(chǎng)模型，分析設(shè)備結(jié)構(gòu)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確測(cè)試出設(shè)備梯度感應(yīng)點(diǎn)，有效減少了由磁梯度感應(yīng)點(diǎn)不準(zhǔn)確引起的誤差。

三、精確鉆孔技術(shù)

1．精確鉆孔技術(shù)原理

如圖5所示，地下鋪設(shè)有一根圓形大口徑管線(xiàn)，在已知半徑及管線(xiàn)上兩點(diǎn)時(shí)，就可以唯一確定該圓形管線(xiàn)［10］。通過(guò)打樣洞并精確量測(cè)管線(xiàn)埋深可以確定管線(xiàn)上某點(diǎn)的平面位置及高程，進(jìn)而可以擬合出該圓形管道并確定其管頂平面位置及高程。

圖5 精確探測(cè)定位原理圖

利用粗略探測(cè)定位的成果重新確定該管道的位置及走向后，通過(guò)精細(xì)定位確定出鉆孔的平面位置，并對(duì)鉆桿垂直度進(jìn)行校正后開(kāi)始鉆孔，直到鉆桿接觸到待測(cè)管道為止。在鉆孔過(guò)程中下一孔鉆探深度根據(jù)上一孔的深度隨時(shí)調(diào)整，按同樣的方法依次完成其他鉆孔并逐個(gè)測(cè)定鉆孔的平面位置及深度。

精確鉆孔定位技術(shù)工作流程如下:

1)布設(shè)精確鉆孔斷面;

2)鉆孔定位:對(duì)設(shè)計(jì)鉆孔位置進(jìn)行精確放樣定位;

3)豎直度校正:鉆孔的垂直度是精確探測(cè)地下管線(xiàn)的關(guān)鍵之一，在開(kāi)始鉆孔前，使用2臺(tái)全站儀以鉆桿為中心成90°角，對(duì)鉆桿垂直度進(jìn)行校正，并在鉆孔過(guò)程中對(duì)鉆桿豎直度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正;

4)鉆孔:鉆孔采用水沖法成孔，重力引導(dǎo)鉆桿下探，采用擠壓法壓迫鉆頭向下直到完全接觸到管道;

5)孔位平面位置及管接觸點(diǎn)高程測(cè)量;

6)按上述方法再探測(cè)管右側(cè)鉆孔的平面位置和管接觸點(diǎn)高程，并根據(jù)和前一個(gè)鉆孔管接觸點(diǎn)高程的差值調(diào)整下個(gè)鉆孔位置。

2．誤差控制

精確鉆孔誤差主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:

(1)儀器誤差

采用的鉆孔設(shè)備為普通勘探用鉆機(jī)，使用時(shí)需對(duì)擬采用的鉆桿、鉆孔導(dǎo)向管、鉆桿拼接進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)。鉆孔長(zhǎng)度采用鋼尺量測(cè)，讀數(shù)保留至毫米位，單根鉆桿彎曲度應(yīng)控制在1‰以?xún)?nèi)，鉆桿拼接后累計(jì)彎曲度2‰以?xún)?nèi)［11］。

(2)豎直度偏差

在開(kāi)始鉆孔前，使用2臺(tái)全站儀以鉆桿為中心成90°角，對(duì)鉆桿豎直度進(jìn)行校正，并在鉆孔過(guò)程中對(duì)鉆桿垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。鉆孔前豎直度偏差應(yīng)控制在1．5‰以?xún)?nèi)，精確鉆孔過(guò)程全程實(shí)時(shí)校正，當(dāng)豎直度偏差超過(guò)2‰時(shí)即可將所有鉆桿拉起，重新調(diào)整鉆機(jī)，使之平衡［11］。

(3)未知障礙物干擾

在鉆孔時(shí)為防止地下硬物干擾，導(dǎo)致精確鉆孔豎直度偏離，一般宜采用高壓水沖成孔。在高壓水沖無(wú)效時(shí)，可選用金剛石鉆頭直接鉆孔，然后重新調(diào)整鉆機(jī)平衡。對(duì)管道附近的未知障礙物，通過(guò)磁梯度手段判定［12］。

四、實(shí)例

1．實(shí)例一

寧波市鄞州區(qū)雅戈?duì)柎蟮琅c鄞州大道路口處有一條管徑為273 mm天然氣供氣主管線(xiàn)，其平面位置橫穿寧波市軌道交通4號(hào)線(xiàn)一期工程設(shè)計(jì)的所有4條軌道線(xiàn)路，如圖6所示。該管道采用非開(kāi)挖頂管施工工藝鋪設(shè)，埋深較大且不固定，相關(guān)單位也無(wú)準(zhǔn)確可靠的管線(xiàn)高程數(shù)據(jù)，按照施工方提供的施工資料可知在軌道線(xiàn)設(shè)計(jì)線(xiàn)路范圍內(nèi)埋深最大處約為10 m，與軌道的兩條設(shè)計(jì)輔線(xiàn)標(biāo)高十分接近，為確保軌道盾構(gòu)施工安全進(jìn)行，需要對(duì)此天然氣管線(xiàn)進(jìn)行精確探測(cè)定位定深。

圖6 天然氣管線(xiàn)磁梯度斷面布設(shè)示意圖

鑒于該管線(xiàn)的特殊性和重要性，采用磁梯度法進(jìn)行探測(cè)。在垂直于管線(xiàn)方向上布設(shè)了3個(gè)斷面，如圖6所示，在每個(gè)斷面處進(jìn)行間距約為0．5 m鉆孔依次探測(cè)(斷面1有3個(gè)鉆孔分別為K3、K4、K5，斷面2有2個(gè)鉆孔分別為K1、K2，斷面3有4個(gè)鉆孔分別為K10、K11、K12、K13)，孔深均超過(guò)10 m，鉆孔成孔后將管口尺寸與鉆孔相當(dāng)?shù)乃芰咸坠芊湃脬@好的孔中，把磁梯度儀探棒放入塑料套管最底部，以0．1 m的間隔從孔底開(kāi)始依次往上牽引探棒并測(cè)量記錄各點(diǎn)的磁梯度值。圖7、圖8和圖9分別為斷面1、斷面2、斷面3處磁梯度探測(cè)曲線(xiàn)。

圖7 斷面1的磁梯度探測(cè)曲線(xiàn)

圖8 斷面2的磁梯度探測(cè)曲線(xiàn)

圖9 斷面3的磁梯度探測(cè)曲線(xiàn)

根據(jù)以上磁梯度探測(cè)曲線(xiàn)可以得出:

斷面1中在標(biāo)高－1．90～－3．90 m部位時(shí)，磁梯度值波動(dòng)劇烈，可以判定所測(cè)燃?xì)夤艿闹行母叱淘跇?biāo)高－2．90 m處(加上地面標(biāo)高，埋深約6 m)。

斷面2中在標(biāo)高－4．00～－6．40 m部位時(shí)，磁梯度值波動(dòng)劇烈，可以判定燃?xì)夤艿闹行母叱淘跇?biāo)高－5．60 m處(加上地面標(biāo)高，埋深約9．50 m)。

斷面3中在標(biāo)高－4．90～－6．90 m部位時(shí)，磁梯度值明顯波動(dòng)，可以判定燃?xì)夤艿闹行母叱淘跇?biāo)高－5．90 m處(加上地面標(biāo)高，埋深約10 m)。

最后，在斷面3處，采用了鉆探高精度定位方法對(duì)該管線(xiàn)進(jìn)行定位和定深測(cè)定驗(yàn)證，所得到的結(jié)果正好與磁梯度技術(shù)探測(cè)結(jié)果相吻合，表明了該方法精確可靠。

2．實(shí)例二

寧波市鄞州區(qū)鄞州大道、雅戈?duì)柎蟮澜徊婵谖鱾?cè)有一管徑為1800 mm給水管線(xiàn)，與寧波市軌道交通2號(hào)線(xiàn)一期設(shè)計(jì)線(xiàn)路相交，該給水管道采用非開(kāi)挖頂管施工工藝，埋深約為7～8 m，對(duì)寧波市軌道交通2號(hào)線(xiàn)工程在該區(qū)域內(nèi)的施工方案具有較大影響。因此，對(duì)該管線(xiàn)的具體位置、走向及埋深進(jìn)行精確探測(cè)至關(guān)重要。

采用精確鉆孔技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，在斷面處4個(gè)鉆孔所得到的管頂高程如表3所示。

表3 孔位高程表 m

分別以其中三個(gè)高程數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，擬合圓形管道，如圖10所示。

圖10 管道擬合效果圖

得出管道高程如下:

1)以1#、2#、4#孔為準(zhǔn)擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．95 m，4個(gè)高程平均差值為0．030 m、最大差值3#為0．08 m;平面位置偏離2#孔以西0．137 m。

2)以1#、3#、4#孔為準(zhǔn)擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．93 m，4個(gè)高程平均差值為0．023 m、最大差值為4#孔0．04 m;平面位置偏離2#孔以東0．113 m。

3)以2#、3#、4#孔為準(zhǔn)擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．93 m，4個(gè)高程平均差值為0．030 m、最大差值為1#孔0．06 m;平面位置偏離2#孔以西0．091 m。

4)以1#、2#、3#孔為準(zhǔn)擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．93 m，4個(gè)高程平均差值為0．043 m、最大差值為4#孔0．09 m;平面位置偏離2#孔以西0．079 m。

從上述擬合效果來(lái)看，在4種情況下管道高程互差最大0．02 m，取平均值確定管道管頂高程為－3．935 m。因此可得，該方法誤差很小，表明了該方法精確可靠。同時(shí)，說(shuō)明了該方法在這種深埋大管徑管線(xiàn)的探測(cè)是確實(shí)可行的。

五、結(jié) 論

本文創(chuàng)新性的采用磁梯度與精確鉆孔技術(shù)應(yīng)用于軌道交通工程中軌道沿線(xiàn)深埋天然氣及給水管線(xiàn)的探測(cè)。通過(guò)相關(guān)的工程實(shí)例進(jìn)行探測(cè)，取得了良好的效果，同時(shí)，驗(yàn)證了這兩種方法的精確可靠性。

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