顧小雙

(上海山南勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201206)

0 引言

目前，綜合物探技術(shù)在市政工程中已得到了廣泛應(yīng)用，但在城市水務(wù)工程應(yīng)用中起步較晚。根據(jù)上海市水務(wù)“十三五”規(guī)劃安排，到“十三五”末，上?；窘ǔ膳c“四個(gè)中心”和社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)際大都市定位相適應(yīng)的現(xiàn)代水務(wù)服務(wù)保障體系，努力實(shí)現(xiàn)供水服務(wù)安全優(yōu)質(zhì)、防汛保障完備可靠、河道環(huán)境生態(tài)良好等發(fā)展目標(biāo)[1]。隨著上海城市更新的推動(dòng)力不斷加大，水利工程從傳統(tǒng)防洪排澇逐步向?yàn)I水空間、環(huán)境生態(tài)功能轉(zhuǎn)變，工程建設(shè)地點(diǎn)也從郊區(qū)、空閑用地或江河口逐步向城市中心城區(qū)轉(zhuǎn)移，管線搬遷和原有地下空間結(jié)構(gòu)對(duì)方案布置和投資的影響越來(lái)越大[2]。綜合物探方法能夠快速布置、高效實(shí)施，且具有安全經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是掌握地下管線和障礙物資料十分有效的技術(shù)手段[3]。工程物探技術(shù)是以探測(cè)目標(biāo)與周?chē)貙哟嬖诘奈镄圆町悶榍疤?，通過(guò)觀測(cè)和分析異常地球物理場(chǎng)來(lái)解決工程地質(zhì)相關(guān)問(wèn)題，通常用于以下幾個(gè)方面的巖土工程勘察：(1)了解暗浜(塘)、鋼渣填土等地質(zhì)界線，地下障礙物、舊基礎(chǔ)分布及檢驗(yàn)復(fù)合地基加固效果；(2)探測(cè)地下管線、地下設(shè)施或障礙物等；(3)探查基礎(chǔ)裂縫；(4)測(cè)定巖土體波速、土層電阻率等。本文重點(diǎn)研究綜合物探技術(shù)在城市水務(wù)工程中地下管線和障礙物探測(cè)中的應(yīng)用問(wèn)題。

1 地下管線及障礙物常見(jiàn)類(lèi)型

隨著上海城市功能的不斷完善，地下管線類(lèi)型也不斷增加。上海水務(wù)工程中涉及到的常見(jiàn)地下管線已經(jīng)達(dá)到30余種，根據(jù)其用途劃分為排水管道、燃?xì)夤艿馈⒐┧艿?、通訊管線、工業(yè)、熱力以及電力管線等；按管線材質(zhì)分為金屬管線、砼制管道以及新材料如PE管線等；埋深從0.5 m左右至幾十米等。由于非開(kāi)挖管線埋深變化大，路由不規(guī)則，管線明顯點(diǎn)出露少。采用鉆探、開(kāi)挖樣洞需要破壞地面路面，施工成本、影響面較大，不具備全工程區(qū)域?qū)嵤┑目赡苄浴?/p>

上海建城歷史悠久，地下空間開(kāi)發(fā)較早，地下建筑物等所產(chǎn)生的障礙物種類(lèi)特別復(fù)雜。水務(wù)工程中主要涉及各類(lèi)建(構(gòu))筑物、市政、交通、其他水利工程等設(shè)施基礎(chǔ)形式及圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及軍用設(shè)施、廢棄結(jié)構(gòu)等。地下障礙物勘察可以采用資料調(diào)查、實(shí)地測(cè)繪、鉆探和物探等多種方法進(jìn)行。但實(shí)際存在多種不可控或不確定因素，如較多建筑物建設(shè)年代久遠(yuǎn)，資料缺失或不齊；實(shí)地測(cè)繪僅能測(cè)繪表面現(xiàn)有構(gòu)筑物，地下結(jié)構(gòu)需要推測(cè)；鉆探存在只能局部了解，對(duì)原結(jié)構(gòu)可能破壞的缺點(diǎn)。

物探工作具有高效、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，既可以滿(mǎn)足水務(wù)工程規(guī)劃階段的管線綜合需要，又能為實(shí)施階段設(shè)計(jì)方案布置和安全施工提供服務(wù)，在解決障礙物勘察難題中可以發(fā)揮獨(dú)特的作用。

2 綜合物探技術(shù)方法應(yīng)用

2.1 電磁感應(yīng)法

電磁感應(yīng)法是工程管線探測(cè)中常用的一種方法。其原理是：當(dāng)管線儀接收機(jī)中的水平線圈在通電導(dǎo)線的正上方時(shí)，信號(hào)最強(qiáng)，由此判斷管線平面位置，利用接收機(jī)不同高度的兩個(gè)水平線圈的測(cè)量值和高度差，用d=xEt/(Eb-Et)計(jì)算出管線深度。該方法操作方便、應(yīng)用范圍廣，優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)效果好、效率高，缺點(diǎn)是只能用于淺埋段的電纜和金屬管線探測(cè)，不適用于非金屬管線和埋深較深的管線。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是電磁感應(yīng)法在時(shí)間域的延伸，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在其間歇期間，利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。該方法不受現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件影響，異常響應(yīng)強(qiáng)，形態(tài)簡(jiǎn)單，分辨力高，剖面測(cè)量和測(cè)深工作能同時(shí)完成，且不受高阻層的屏蔽影響，能穿透高阻層，結(jié)合空間多次覆蓋技術(shù)，可提供更多有用信息。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是通過(guò)發(fā)射天線以寬頻帶短脈沖形式向地下發(fā)射電磁波，地下介質(zhì)將一部分電磁波反射回地面，并被接收天線所接收，地質(zhì)雷達(dá)所接收的信號(hào)就是地下介質(zhì)所反射回來(lái)的電磁波信號(hào)，當(dāng)遇到電性差異較大的界面或目標(biāo)體時(shí)通常產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁波信號(hào)，通過(guò)分析反射電磁波信號(hào)的能量、頻率等不同參數(shù)，區(qū)分地下異常體的具體情況。地質(zhì)雷達(dá)法具有快速、高效的優(yōu)點(diǎn)，但探測(cè)效果受天線頻率制約和環(huán)境干擾因素影響較大[4]。

2.4 高密度電法

圖1 高密度電法探查障礙物示意圖

2.5 導(dǎo)向儀法

導(dǎo)向儀信標(biāo)(也稱(chēng)傳感器)發(fā)出特定頻率的電磁波信號(hào)，通過(guò)在地面上探查該信號(hào)的強(qiáng)度與分布即可知其深度與位置。探測(cè)前先選擇場(chǎng)地探測(cè)條件干擾少的位置，接收器和信標(biāo)(即傳感器)進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后再進(jìn)行定位檢查，一般將接收器平行放在距傳感器3.0 m或6.0 m處，檢查實(shí)際探測(cè)距離，滿(mǎn)足精度要求才可施測(cè)。(見(jiàn)圖2)

圖2 導(dǎo)向儀法探測(cè)示意圖

2.6 慣性陀螺儀法

針對(duì)穿越道路、河道的非開(kāi)挖管線，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制(例如水域部分)或埋深超過(guò)導(dǎo)向儀有效探測(cè)范圍，宜采用慣性陀螺儀法解決。慣性陀螺儀探測(cè)，無(wú)需探測(cè)人員進(jìn)行地面追蹤，不受場(chǎng)地條件、交通、天氣和光線等因素影響，對(duì)管線材質(zhì)、管線埋深和周?chē)刭|(zhì)條件無(wú)限制，相對(duì)其他方法而言，測(cè)量精度較高。但同時(shí)，陀螺儀存在需要有預(yù)留空孔、儀器相對(duì)較昂貴等不足。

2.7 井中探測(cè)法

井中探測(cè)法目前使用較為廣泛的有井中磁梯度法和跨孔電阻率CT法。

(1)井中磁梯度法

井中磁梯度法對(duì)于超深金屬管線和地下障礙物探測(cè)效果較好。施測(cè)時(shí)，首先將磁力梯度設(shè)備安置于鉆孔中，通過(guò)磁梯度儀對(duì)地下金屬管線(或帶有金屬介質(zhì)的地下障礙物)進(jìn)行測(cè)量，獲取其在豎直方向上的變化信息[6]。磁梯度曲線顯示，相對(duì)背景場(chǎng)含鐵磁性的目標(biāo)體表現(xiàn)出高磁異常，根據(jù)這些變化就可以確定地下管線或者障礙物的分布情況。

(2)跨孔電阻率CT探測(cè)法

跨孔電阻率CT是將帶一定間隔數(shù)量電極的多芯電纜同時(shí)布設(shè)在兩個(gè)鉆孔中，多芯電纜連接地面主機(jī)，兩井電極形成井間電極陣。數(shù)據(jù)采集時(shí)，在兩組電極中各選一個(gè)電極作為供電電極A和B，測(cè)量任意電極N與測(cè)量電極M組合間電流、電壓數(shù)，與地面阻率探測(cè)相比，電阻率跨孔CT探測(cè)方法操作相對(duì)方便，但會(huì)受地下環(huán)境干擾影響，目前應(yīng)用尚不廣泛。未來(lái)隨著技術(shù)的改進(jìn)，在精細(xì)探查、非金屬管線探測(cè)、地下空洞探測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用前景。

3 應(yīng)用案例

以某大型污水處理廠污水調(diào)蓄池提標(biāo)改造工程為例，通過(guò)探查工程范圍內(nèi)的地下管線和地下障礙物，為工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。主要包括污泥暫存場(chǎng)水泥界面深度及分布、路面下沉探測(cè)、地下箱涵基礎(chǔ)探測(cè)、跨河非開(kāi)挖管線探測(cè)以及河岸基礎(chǔ)探測(cè)。

地下管線探查在充分搜集和分析已有資料的基礎(chǔ)上，采用實(shí)地調(diào)查和儀器探測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行。明顯管線點(diǎn)采用實(shí)地調(diào)查和量測(cè)的方法，隱蔽管線點(diǎn)采用儀器探測(cè)的方法，其中金屬管線主要采用管線探測(cè)儀探測(cè)，非金屬管線主要采用地質(zhì)雷達(dá)、導(dǎo)向儀法和慣性陀螺儀法探測(cè)。障礙物探測(cè)亦在充分搜集和分析已有資料的基礎(chǔ)上，因地制宜采用合適的物探技術(shù)(地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、磁梯度)進(jìn)行探測(cè)或驗(yàn)證。

3.1 污泥暫存場(chǎng)水泥界面深度及分布情況

因污泥含水飽和，雷達(dá)波衰減迅速，探測(cè)深度不足，且不能分辨出水-泥、泥-池底分界面；高密度電法電極需要同介質(zhì)耦合，因污水池表面包裹一層厚塑膜，測(cè)試無(wú)法實(shí)施。瞬變電磁法無(wú)需對(duì)厚塑膜進(jìn)行破壞，無(wú)需爆破或錘擊震源，探測(cè)深度大，對(duì)水-泥、泥-池底界面分辨明顯，滿(mǎn)足項(xiàng)目探測(cè)需求。瞬變電磁法探測(cè)反演成果見(jiàn)圖3，電阻率等值線規(guī)則、稀疏、完整，能有效反映出水-泥界面在1.85～1.90 m，池底界面在 5.20～5.45 m。

圖3 瞬變電磁法探測(cè)反演成果圖

3.2 路面下沉探測(cè)

該路段地層主要由粉土、粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，初步分析得知某段排水管道損壞滲水導(dǎo)致路面以下土體流失。施測(cè)時(shí)采用瑞典MALA MIRA三維探地雷達(dá)，地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線垂直/平行于塌陷區(qū)排水管道走向，中心頻率400 MHz天線采用沿測(cè)線測(cè)量輪方式探測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得如下技術(shù)參數(shù)：采樣頻率6000 MHz，間隔5 cm，時(shí)窗90 ns，2次疊加覆蓋。從圖4可以看出，在距離起點(diǎn)404～410 m段埋深0.5～1.2 m處反射波同相軸呈現(xiàn)凹陷形態(tài)，同相軸部分錯(cuò)斷，據(jù)此推測(cè)該處地層出現(xiàn)塌陷。后期經(jīng)鉆探驗(yàn)證，在該段路面埋深0.6 m處發(fā)現(xiàn)空洞，采用注漿填充進(jìn)行處理。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)剖面影像圖

3.3 地下箱涵基礎(chǔ)探測(cè)

一條寬約4000 mm的箱涵，埋深不詳，地下地質(zhì)情況復(fù)雜，明顯點(diǎn)較少，水流速度慢，干擾源豐富，為物探法探測(cè)帶來(lái)極大難度。采用地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)，在1.0 m以上還可分辨出地層和部分異常特征；1.0 m以下電磁波穿透能力逐漸變?nèi)?，所得影像模糊，難以分辨出異常物體。因此選用高密度電法進(jìn)行探測(cè)。從高密度電法探測(cè)斷面成果可見(jiàn)，場(chǎng)地視電阻率自上而下呈層狀分布，表層及上部電阻率高，隨著深度增大，視電阻率逐漸減小(見(jiàn)圖5)。淺部高阻區(qū)呈多個(gè)封閉狀，且不規(guī)則間斷分布。綜合分析認(rèn)為，表層及淺層范圍的高阻區(qū)由建筑垃圾、房屋基礎(chǔ)和地板、道路基礎(chǔ)及路面引起，埋深0～1.0 m；在2.0 m以下，視電阻率明顯變小，等值線規(guī)則平滑，表明深部土層較均勻、完整，含水率較大。在斷面12—18測(cè)點(diǎn)之間存在一明顯高于周邊的高阻方形區(qū)，在3 m以下又與周邊范圍沒(méi)有差別，由此可推斷此處為箱涵的位置(見(jiàn)圖5)。通過(guò)開(kāi)挖得到證實(shí)，與解譯結(jié)果一致。

圖5 高密度電法探測(cè)斷面成果圖

3.4 跨河非開(kāi)挖管線探測(cè)

一輸電專(zhuān)用纜，等級(jí)較高，跨河埋設(shè)，長(zhǎng)約250 m，由于導(dǎo)向儀隨著目標(biāo)管線埋深的增加其探測(cè)精度降低，位置誤差可達(dá)2.5 m左右，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。需要提高探測(cè)精度以評(píng)估該電力管線對(duì)污水總管的影響，從而制定搬遷或保護(hù)方案。為此，采用Reduct ABM-90陀螺儀，利用空孔進(jìn)行探測(cè)。先后采集了兩個(gè)來(lái)回，共計(jì)4條數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，均方誤差小于0.5 m，成果見(jiàn)圖6。

圖6 陀螺儀探測(cè)成果圖

3.5 河岸基礎(chǔ)探測(cè)

井中磁梯度法探測(cè)廠區(qū)西北側(cè)的河岸基礎(chǔ)。磁梯度探測(cè)采用CCT-4型磁梯度儀，點(diǎn)距0.1 m，測(cè)孔深度19 m。磁梯度探測(cè)曲線的成果如圖7所示，測(cè)孔4.0 m以上測(cè)值明顯較大，從4.0 m以下測(cè)值強(qiáng)度逐漸衰弱，因此可以判斷，河岸加固基礎(chǔ)埋深4.0 m左右，探明了河岸基礎(chǔ)的深度。

圖7 河岸基礎(chǔ)磁梯度探測(cè)成果圖

4 結(jié)論與展望

(1)在復(fù)雜城市環(huán)境下建設(shè)水務(wù)工程，采取綜合物探方法掌握各類(lèi)地下管線及地下障礙情況，對(duì)于工程線路的優(yōu)化布置、設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)合理性和施工安全起到了重要作用。物探方法在水務(wù)工程上的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)勘察方法的缺陷和不足，也推動(dòng)了物探技術(shù)本身的進(jìn)步和發(fā)展。

(2)探測(cè)環(huán)境復(fù)雜和PE等新材料應(yīng)用與儀器設(shè)備局限矛盾是目前物探技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)。物探設(shè)備和科研單位應(yīng)研發(fā)更多抗干擾強(qiáng)的通用物探設(shè)備，增強(qiáng)探測(cè)能力；技術(shù)承擔(dān)單位應(yīng)會(huì)同相關(guān)單位利用大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM應(yīng)用平臺(tái)等進(jìn)行物探技術(shù)融合，綜合解決物探難題。

(3)物探技術(shù)從滿(mǎn)足水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工逐步朝向工程全生命周期的“健康診斷”方向發(fā)展，最終培育形成綜合性“水利工程醫(yī)院”及“水務(wù)工程生態(tài)健康體”。