李 強(qiáng)

（上海新地海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200083）

隨著地下管線施工新方法、新技術(shù)的迅速發(fā)展，采用非開挖技術(shù)敷設(shè)地下管線的方法已趨于成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，不僅減少了地下管線施工對(duì)既有道路、房屋及景觀等的影響，加快了城市地下管線敷設(shè)的速度，還帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。地下非開挖管線埋深大（埋深已達(dá)30m以上），空間分布較復(fù)雜，呈直線、單緩弧線（深度方向）或雙緩弧線（水平方向、深度方向）分布，由于早期施工設(shè)備較落后，施工技術(shù)不夠成熟，管線竣工資料驗(yàn)收不嚴(yán)，使得竣工資料與實(shí)際相差較大，因此難以滿足后續(xù)地下空間開發(fā)施工的需求。為了避免建設(shè)項(xiàng)目如樓房、隧道、橋梁、管道（頂管、拖拉管、開槽埋管等）的施工損壞已經(jīng)敷設(shè)好的地下非開挖管線，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失或社會(huì)影響，項(xiàng)目規(guī)劃或施工前，必須對(duì)影響范圍內(nèi)的地下管線進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，確定地下管線的平面位置及埋深。目前對(duì)于埋深小于5m的淺埋管線探測(cè)手段已經(jīng)比較成熟，但對(duì)于深埋的非開挖管線探測(cè)仍然存在較大難度，尤其是非金屬材質(zhì)管線或存在環(huán)境干擾、管孔穿滿線的情況下，如何采用物探方法解決這些疑難問題是工程物探今后研究的重點(diǎn)。

1 地下非開挖管線探測(cè)難點(diǎn)

（1）非開挖管線的材質(zhì)主要分為金屬類和非金屬類。金屬類管線主要包括鋼管、鑄鐵管及金屬芯線纜等；非金屬類管線主要包括PE管、PVC管、MPP管、玻璃鋼夾砂管、混凝土管等。其中非金屬材質(zhì)的管線給以電磁法探測(cè)為主的地下管線探測(cè)增加了較大難度。

（2）非開挖管線截面尺寸較小、埋深較大。盡管地層與非開挖管線之間存在一定的物性差異，但被探測(cè)對(duì)象的幾何尺寸與其埋藏深度之比遠(yuǎn)小于1/10，其引起的異常場(chǎng)難以從背景場(chǎng)或干擾場(chǎng)中分辨出來。

（3）城區(qū)地下管線探測(cè)環(huán)境干擾因素復(fù)雜。探測(cè)技術(shù)人員很難判斷所有的干擾場(chǎng)對(duì)地下管線探測(cè)造成的影響程度，尤其是來自地上或地下的未知干擾磁場(chǎng)與擬探測(cè)管線引起的異常場(chǎng)迭加時(shí)，難以分離出有用的異常場(chǎng)并做出正確判斷與解釋。

（4）非開挖通信類、電力管線的管孔穿滿線或堵塞時(shí)，導(dǎo)向儀、慣性陀螺儀測(cè)試單元無法穿入管孔進(jìn)行探測(cè)。

（5）探測(cè)方法本身的局限性及物探儀器設(shè)備研究開發(fā)的滯后性。對(duì)于周邊環(huán)境復(fù)雜、埋深大、截面小、非金屬材質(zhì)的管線探測(cè)存在較大難度，有時(shí)無能為力。

2 物探方法的選擇

上海虹橋污水處理廠進(jìn)廠管道工程的管徑為Φ1200mm，埋深4.43～12.51m，線路長9.852km，采用頂管技術(shù)敷設(shè)。某公司為該項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)單位，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)擬排污水管道線路與已排電力非開挖管線存在多處沖突，為避免施工損壞重大管線，造成安全事故，建議業(yè)主委托物探單位對(duì)沿線已敷設(shè)好的電力非開挖管線進(jìn)行排查和精確探測(cè)。受業(yè)主委托某公司承擔(dān)了該項(xiàng)目的探測(cè)任務(wù)，為了確保探測(cè)工作不遺漏管線，且探測(cè)精度滿足頂管施工的需要，探測(cè)前期做了如下工作：（1）資料收集。走訪管線權(quán)屬單位，收集電力非開挖管線的數(shù)量、孔數(shù)、位置及拖拉次數(shù)等。（2）現(xiàn)場(chǎng)踏勘。核實(shí)收集的資料，察看測(cè)區(qū)內(nèi)建構(gòu)筑物、交通、水系（河流、池塘等）和地下管線的分布情況、地球物理?xiàng)l件及各種可能的干擾因素。（3）權(quán)屬單位現(xiàn)場(chǎng)交底和確認(rèn)。與電力管線權(quán)屬單位溝通了解到部分電力非開挖管線是供虹橋機(jī)場(chǎng)用電的重要管線，并請(qǐng)電力管線權(quán)屬單位到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的交底、確認(rèn)。

經(jīng)資料收集、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、權(quán)屬單位現(xiàn)場(chǎng)交底和確認(rèn)，得知測(cè)區(qū)內(nèi)分布有10處電力非開挖管線。其中有6處（14～19孔）可能為二次拖拉施工，且有9處穿越河道，河道寬16～57m，有2處穿越高架橋（含1處穿越河道）；有2處與擬排污水管道正交，有8處與擬排污水管道距離較近或小角度斜角。探測(cè)區(qū)域周邊分布有高架橋梁、河道橋梁、防汛墻、道路鐵欄桿，還有來往車輛及地下錯(cuò)綜復(fù)雜的淺埋管線等都對(duì)非開挖管線探測(cè)造成干擾，干擾因素多而雜。而要求探測(cè)數(shù)量不少于非開挖管線總孔數(shù)的70%，對(duì)每處管線全長進(jìn)行探測(cè)（包括河道中間）。在這樣的環(huán)境、場(chǎng)地條件下進(jìn)行精確探測(cè)具有較大的挑戰(zhàn)性，該公司針對(duì)地下非開挖管線探測(cè)的難點(diǎn)，并結(jié)合收集的資料、任務(wù)要求、環(huán)境條件及物探方法的適用性等，通過試驗(yàn)的方法合理地選擇了有效的物探方法。首先采用導(dǎo)向儀法，該方法探測(cè)精度相對(duì)較高，操作簡單，適合非開挖管線普測(cè)，通過普測(cè)確定每處非開挖電力管線的拖拉次數(shù)；在普測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)于完全貫通的空管再采用慣性陀螺儀法進(jìn)行精確探測(cè)，由于該方法精度高且不受場(chǎng)地（河道及建構(gòu)筑物）條件限制，凡是具備探測(cè)條件的管線均采用慣性陀螺儀法進(jìn)行探測(cè)，盡量保證不同拖拉頻次施工的管線都能探測(cè)到一孔；對(duì)于前兩種方法無法精確定位的管線，最后采用井中磁梯度法對(duì)其進(jìn)行精確探測(cè)。此次選用了適用性不同的三種物探方法進(jìn)行探測(cè)，互相補(bǔ)充、互相驗(yàn)證，不僅探測(cè)效率高，而且能確保探測(cè)成果可靠，滿足工程需求。

3 地下非開挖管線探測(cè)方法簡介

3.1 導(dǎo)向儀法探測(cè)原理

導(dǎo)向儀法屬于有源電磁法，該方法是由美國Digital Control Incorporated公司生產(chǎn)的DigiTrak Eclipse（SE、F1、F2、F5）地下導(dǎo)向定位系統(tǒng)，主要由接收機(jī)、固定頻率（12kHz）的傳感器、顯示屏及穿纜器組成。該探測(cè)應(yīng)先選擇合適位置對(duì)傳感器進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)（校準(zhǔn)距離3.0m），校準(zhǔn)后進(jìn)行定位檢查，檢查距離應(yīng)不小于預(yù)估管線的最大埋深，當(dāng)檢核距離與設(shè)定距離之差符合要求時(shí)方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)。探測(cè)前要對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的干擾源進(jìn)行檢查，當(dāng)探測(cè)場(chǎng)地內(nèi)干擾信號(hào)響應(yīng)大于150時(shí)，采用發(fā)射信號(hào)強(qiáng)的傳感器或抬高接收機(jī)的高度，以便克服或分離干擾信號(hào)；若所采取的措施無效，說明該方法不適合場(chǎng)地條件，探測(cè)結(jié)果不可靠。

探測(cè)前應(yīng)對(duì)傳感器的定位檢查做好記錄，必要時(shí)繪制校核曲線并對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，如圖1所示。一般現(xiàn)場(chǎng)檢核值比理論值小，需進(jìn)行加計(jì)算。

圖1 導(dǎo)向儀檢核曲線

探測(cè)時(shí)先將傳感器固定在玻璃鋼穿纜器的端部，然后推入擬探測(cè)的電力非開挖管線預(yù)埋孔內(nèi)，在地面用接收機(jī)追蹤傳感器所發(fā)射固定頻率的電磁波信號(hào)，從而獲得地下電力非開挖管線的軌跡。

3.2 慣性陀螺儀法測(cè)量原理

利用慣性陀螺儀法進(jìn)行管線定位主要是把載有航向和姿態(tài)傳感器的管內(nèi)測(cè)量單元放入管道內(nèi)并使之沿管道勻速運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)出管道各個(gè)位置的航向和俯仰角，如圖2所示。將航向、姿態(tài)信息與里程信息結(jié)合從而推算出管道的三維坐標(biāo)。

圖2 慣性陀螺儀定位原理圖

測(cè)量單元內(nèi)的陀螺儀和加速度計(jì)組件分別測(cè)量定位儀內(nèi)相對(duì)慣性空間的3個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度和3個(gè)線加速度沿定位儀坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度。并計(jì)算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態(tài)。該方法標(biāo)稱水平精度±0.25%L，垂直精度0.10%L，其中L為管線長度。定位精度不隨深度加大而加大，與管道材質(zhì)、周圍電磁場(chǎng)干擾無關(guān)；定位精度與管線長度、管道內(nèi)壁光潔度、拖曳速度及孔口三維坐標(biāo)測(cè)量等因素有關(guān)。

3.3 井中磁測(cè)法原理

自然界中各種物體均受地磁場(chǎng)的磁化作用，在其周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于鐵磁性物體本身的磁化率較高，它受到地磁場(chǎng)磁化作用后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)要比地層等其他物體產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)得多，這種磁化磁場(chǎng)與正常地磁場(chǎng)之間的差值稱之為磁異常。通過采用專用井中磁測(cè)儀測(cè)量、記錄測(cè)區(qū)磁場(chǎng)的分布特征，通過對(duì)測(cè)得的磁異常進(jìn)行處理、分析，從而推斷出地下含磁性物質(zhì)管線的空間位置。具體工作就是在擬探測(cè)管線的一側(cè)鉆沖孔，用PVC管護(hù)壁，采用井中磁測(cè)儀從孔底往上或從孔口往下按等間隔（≤0.2m）采集每個(gè)深度的磁場(chǎng)值，每孔測(cè)2次。通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，從而確定地下管線的埋深及位置。該方法定深精度較高，能滿足相關(guān)規(guī)范及工程需求。

4 工程應(yīng)用

4.1 污水頂管井74#-75#區(qū)間段探測(cè)

15孔Ф180MPP電力非開挖管線在S20外環(huán)高速公路東側(cè)橫穿北翟路高架橋，其中有6處電力非開挖管線距高架橋墩臺(tái)較近，最近距離小于2m，周邊環(huán)境干擾較大；另外該電力15孔非開挖管線有14孔穿有電纜，有1孔穿有7根彩色管。為防止因管道敷設(shè)時(shí)采用多次導(dǎo)向拖拉施工而造成漏探，選擇了13個(gè)穿有較細(xì)電纜的孔位采用導(dǎo)向儀法進(jìn)行探測(cè)。

原設(shè)計(jì)74#污水井（圍護(hù)結(jié)構(gòu)外徑10m）中心與電力非開挖管線之間最小距離只有2m，擬排74#-75#污水井區(qū)間頂管直徑Φ1200mm，內(nèi)底標(biāo)高-2.6m，與電力非開挖管線小角度斜交。

針對(duì)周邊復(fù)雜的環(huán)境條件，探測(cè)前對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的干擾源進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)北翟路地面道路路以南2.5～24.8m干擾較大，干擾信號(hào)響應(yīng)已經(jīng)大于150，采用發(fā)射信號(hào)強(qiáng)的傳感器或抬高接收機(jī)探測(cè)，探測(cè)效果無明顯改善；此后換不同型號(hào)的導(dǎo)向儀及傳感器進(jìn)行復(fù)探，前后探測(cè)結(jié)果基本一致，均向高架橋方向明顯偏移。根據(jù)南北側(cè)干擾小的區(qū)域探測(cè)管線走向的趨勢(shì)及工作經(jīng)驗(yàn)，推斷該電力非開挖管線為近直線敷設(shè)。由于采用導(dǎo)向儀初步探測(cè)的非開挖管線位置與設(shè)計(jì)的74#污水井位沖突及頂管區(qū)間埋深沖突，需要根據(jù)探測(cè)結(jié)果做修改變更，因此采用井中磁測(cè)法對(duì)其進(jìn)行了精確探測(cè)，在導(dǎo)向儀探測(cè)干擾大的區(qū)段共布設(shè)3個(gè)測(cè)孔，將Ф18mm的強(qiáng)磁棒推到磁測(cè)孔位置進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)的磁異常特征明顯，推斷該處電力非開挖管線頂標(biāo)高為-6.12m，其平面位置與前期推斷的電力非開挖管線位置一致，將導(dǎo)向儀探測(cè)結(jié)果與井中磁測(cè)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得知管線平面位置往高架橋墩臺(tái)方向最大偏移量達(dá)3.0m，埋深偏移量小于1.0m?？梢钥闯霎a(chǎn)生偏移量的大小與橋墩下部樁基數(shù)量、兩者間距離及周邊干擾等因素有直接關(guān)系，當(dāng)干擾信號(hào)小于有效信號(hào)2倍以上時(shí)，對(duì)探測(cè)結(jié)果影響相對(duì)較小。因此采用導(dǎo)向儀探測(cè)前必須對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行干擾調(diào)查，探測(cè)過程中必須詳細(xì)記錄周邊場(chǎng)地、環(huán)境條件干擾情況，探測(cè)后還應(yīng)結(jié)合環(huán)境干擾因素及竣工資料對(duì)探測(cè)管線的軌跡合理性進(jìn)行分析判斷，復(fù)雜情況下建議采用綜合物探方法或觸探法進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 74#-75#區(qū)間電力非開挖管道探測(cè)成果圖

4.2 污水頂管井24#-25#區(qū)間段探測(cè)

15孔Ф180MPP電力非開挖管線在天山西路南側(cè)橫穿北橫瀝港，河道寬56m，距北橫瀝港橋墩最近距離3.6m。15孔電力非開挖管線中有9孔穿有電纜，還有6孔為空管，其與擬排污水管道位置近似平行，河道內(nèi)間距小于0.8m。

為防止因管道敷設(shè)時(shí)采用多次導(dǎo)向拖拉施工而造成漏探，采用導(dǎo)向儀法和慣性陀螺儀法總共探測(cè)11孔，其中陀螺儀法探測(cè)6孔，導(dǎo)向儀法探測(cè)5孔。北橫瀝港水面上使用充氣橡膠船輔助定點(diǎn)探測(cè)，探測(cè)點(diǎn)距約5m，采用GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量。同時(shí)，采用導(dǎo)向儀探測(cè)前對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的干擾情況進(jìn)行了詳細(xì)檢查，干擾信號(hào)響應(yīng)小于50時(shí)，適合采用導(dǎo)向儀探測(cè)。導(dǎo)向儀探測(cè)過程中，為了減小水上探測(cè)的定位誤差，先在前后定位點(diǎn)處做好標(biāo)識(shí)，當(dāng)前后定位點(diǎn)與探測(cè)定位點(diǎn)在一條直線時(shí)，將充氣橡膠船固定平穩(wěn)后讀取深度并測(cè)量坐標(biāo)及高程。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及導(dǎo)向儀探測(cè)深度修正后，將探測(cè)得到的11條電力非開挖管線的軌跡繪制成三維曲線，然后擬合其包絡(luò)線，擬合包絡(luò)線橫截面直徑為1.35m，與理想狀態(tài)偏差0.24m（如圖4所示），因此探測(cè)誤差可按0.48m計(jì)。此次探測(cè)的11孔電力非開挖管線平面位置及埋深無一點(diǎn)落到包絡(luò)線外面，重復(fù)探測(cè)結(jié)果中的誤差滿足規(guī)范要求，證明探測(cè)成果準(zhǔn)確性高。

此次采用綜合物探方法探明了10處電力非開挖管線的平面位置及埋深，其中有5處與擬排污水管道埋深或井位有沖突，通過設(shè)計(jì)修改變更，避免了污水頂管施工損壞電力非開挖管線所帶來的重大工程事故和經(jīng)濟(jì)損失，目前敷設(shè)的污水管道已經(jīng)順利竣工。

5 結(jié)束語

圖4 包絡(luò)線橫截面

（1）實(shí)踐證明導(dǎo)向儀法、慣性陀螺儀法、井中磁梯度法對(duì)電力非開挖管線精準(zhǔn)探測(cè)是有效的，因不同探測(cè)方法的適用范圍不同，擇優(yōu)選用有效的物探方法可以達(dá)到事半功倍的效果。（2）大截面的電力非開挖管線（大于7孔Ф200mm）可能為多次拖拉施工，應(yīng)采用導(dǎo)向儀在一側(cè)多孔探測(cè)判定拖拉次數(shù)，然后選擇部分孔進(jìn)行全長探測(cè)，可以提高工作效率，適當(dāng)增加探測(cè)孔數(shù)可以提高探測(cè)結(jié)果的可靠性。（3）采用導(dǎo)向儀探測(cè)非開挖管線前必須進(jìn)行校準(zhǔn)、定位檢查及環(huán)境干擾情況測(cè)試，并做好記錄，必要時(shí)對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行深度校正。探測(cè)后應(yīng)結(jié)合環(huán)境干擾因素及竣工資料對(duì)探測(cè)管線的軌跡合理性進(jìn)行分析判斷，復(fù)雜情況下建議采用綜合物探方法或觸探法驗(yàn)證。（4）對(duì)于未穿電纜的電力非開挖管線應(yīng)首選慣性陀螺儀法探測(cè)，探測(cè)的管孔必須貫通、清潔，且能將測(cè)試單元從孔的一端勻速拉到另一端，然后再從該端連續(xù)勻速拉回，一旦中間停頓或卡孔，則探測(cè)結(jié)果無效。（5）采用井中磁測(cè)法精確探測(cè)電力非開挖管線時(shí)，探測(cè)前應(yīng)判定電力非開挖管線周圍是否有磁場(chǎng)，因大部分電力非開挖管線設(shè)計(jì)為完全屏蔽型，其周圍并未分布有可探測(cè)到的磁場(chǎng)，因此探測(cè)時(shí)應(yīng)將強(qiáng)磁棒推到擬探測(cè)孔的相應(yīng)部位進(jìn)行探測(cè)。