李育強，潘喜峰，朱能發(fā)

(天津市勘察院，天津 300191)

1 引 言

頂管法作為城市管道施工非開挖施工常用手段之一，頂管多為始發(fā)基坑至接受基坑垂直頂進，因此為保證躲避其他淺埋管線等障礙物頂管深度較大。頂管施工多用于穿越河流、鐵路和高速公路等障礙物，穿越地表不留痕跡，且燃氣、電力等保護管頂管管徑大于實際使用管道，無法通過激發(fā)陰極保護樁、閥門井等常規(guī)電磁法探測對頂管部分加載信號。探測人員往往通過搜集施工資料、竣工圖來判斷大致位置。如果后期存在同路徑的其他頂管施工或者地鐵盾構施工則需要更加精確的位置及埋深。本文采用地震映像法確定目標管線大致區(qū)域，再利用磁梯度法精確探測頂管管道位置及埋深，兩種方法結合快速高效探測。

2 地震映像法理論

高密度地震映像法激發(fā)和接收器之間是等距的，尋找最佳偏移距是形成清晰圖像的關鍵因素。該方法多用于探測具有一定截面大小的管道或井室等探測。探測時炮間距選擇應考慮到目標體埋深，多次改變炮間距及穩(wěn)定激發(fā)能量大小是成果獲取圖像的關鍵。多為斷面圖的成圖效果，因此測線也應垂直于目標體，形成截面圖像。其工作原理如圖1所示。

圖1 地震映像工作原理示意圖

地震映像前提是地下介質(zhì)密度、速度、泊松比等彈性特征參數(shù)具有差異。波在傳播中，如遇到巖體介質(zhì)波阻抗Z(Z=ρVc)發(fā)生變化的界面時，入射的彈性波就在這個界面上產(chǎn)生透射和反射，即一部分彈性波透過界面繼續(xù)往前方傳播即透射波，而另一部分彈性波則從界面上反射回來即反射波。檢波器采集反射波的能量和時間繪制地震映像剖面圖(圖2)。

圖2 地震映像法模型及簡化波形圖

3 磁梯度法理論

磁梯度法是將要探查的鐵磁管道等效為一個在其周圍區(qū)域分布強感應磁場的無限長水平圓柱。通過觀測垂直分量Za的梯度值的數(shù)值大小，可以判斷目標管道的平面位置和埋深，如圖3所示。

孔中磁梯度探測技術是通過勘測地磁異常來實現(xiàn)對鐵磁性管道定位。通過不斷打孔來逐步逼近目標體位置。該方法多用于解決埋深較大的鐵磁性金屬管道或鋼筋混凝土管道的定位問題。

圖3 孔中磁梯度外業(yè)探測示意圖

磁梯度法就是將所要探測的鐵磁性管線等效為無限長水平圓柱體，在其周圍區(qū)域分布有較強的感應磁場，利用磁梯度探頭在豎直鉆孔中觀測其磁異常的變化，探頭包含上下兩個線圈可以觀測垂直分量Za求差值來近似表示Za梯度值，根據(jù)場值的分布情況來判定磁異常物的平面位置及埋深。Za及其梯度值的計算公式如下：

(1)

(2)

式中：R為無限長水平圓柱體的埋深，i為有效磁傾角，Ms=Js*S為截面磁矩，Js為有效磁化強度。

4 案例分析

建設單位擬在梅江西路局部自北向南進行排水頂管施工，經(jīng)調(diào)查得知存在一條與頂管路徑垂直交叉的 35 kV電力頂管。確保頂管安全施工，經(jīng)過反復對比本次探測工作采用了地震映像法和孔中磁梯度法進行探測。

4.1 測區(qū)分析

工區(qū)位于梅江西路與綏江道交口處，地形平緩，場地較開闊，地形平緩，場地相對較開闊，交通極為便利。原電力頂管施工年代久遠，設計圖紙地形變化較大，現(xiàn)場踏勘對比地形圖地物特征無法判斷頂管位置。

圖4 梅江西路現(xiàn)場照片及電力頂管設計圖

設計圖中反映該電力頂管穿越道路、綠地和鐵路(圖4)。頂管為φ1550直徑鋼筋混凝土管道。結合已有巖土工程勘察資料可知，區(qū)內(nèi)素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土無磁性；而鋼筋混凝土管線屬鐵磁性物質(zhì)較強的磁化率，相較于周圍土質(zhì)存在著明顯的磁性差異，從而為開展地震映像法和孔中磁梯度法查明該頂管管道提供了必要的地球物理前提條件。

本次工程投入主要儀器為國產(chǎn)SWS-6型工程地震儀，該儀器的高密度地震映像法可以獲取信噪比較高的淺層面波圖像。采用國產(chǎn)CCT-4磁梯度儀來捕獲管道周圍磁梯度場值。兩種儀器結合使用，地震映像法線快速掃描，在疑似地方磁梯度法鉆孔探測排查獲取準確管線位置及埋深。

4.2 測線布置

依據(jù)電力設計資料圖紙對應頂管位置位于現(xiàn)狀道路路口南側(cè)(圖5)，這一位置與電力運維部門技術人員口述不一致，因此在兩處疑似位置都進行地震映像測量和磁梯度探測。

(1)地震映像法：布設南北走向2條斷面，AB長度 20 m，CD長度 43 m。

(2)磁梯度探測法：地震映像圖像疑似區(qū)域處布設16個鉆孔。

圖5 地震映像探測測線、鉆孔空位布置圖

4.3 地震映像法探測數(shù)據(jù)分析

(1)斷面A-B分析：

炮間距6 m，點距0.2 m。共計100道數(shù)據(jù)，斷面長度 20 m。通過觀察斷面圖可知，18～28道 50 ms處存在高能量反射區(qū)域，但其下部 75 ms處有平行連續(xù)高能量反射層，地震波不可能穿過鋼筋混凝土管道沒有衰減，這區(qū)域判斷不是管道；59～67道 55 ms和78～87道 50 ms處存在高能量反射區(qū)域(箭頭指示位置)，疑似目標管道位置，周邊波紋不明顯，此處是否為目標管道還需要進一步驗證。

(2)斷面C-D分析：

炮間距6 m，點距0.25 m。共計172道數(shù)據(jù)，斷面長度 43 m。通過觀察斷面圖可知(圖6、圖7)，79～85道 37 ms處存在波的象限變化現(xiàn)場(箭頭指示位置)，且兩側(cè)振幅幅值相等處呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)(淺綠色雙曲線弧)疑似目標管道位置。此處是否為目標管道還需要進一步驗證。

圖6 地震映像A-B斷面圖

4.4 磁梯度法探測數(shù)據(jù)分析

通過對16個測孔的數(shù)據(jù)分析，繪制了2個斷面的磁梯度測孔曲線，并結合理論模型研究和以往工作經(jīng)驗確定了管線的位置及標高，具體分析如下：

1號斷面：

探測12～16號孔。對幾個孔的測量數(shù)據(jù)分析處理，繪制了1號斷面曲線，如圖8所示。

可以看出孔12～16號孔均在高程0.5(埋深 2.3 m)以上均存在較明顯的磁異常，根據(jù)這些鉆孔曲線形態(tài)，推測其為淺部雜填物的反映。

圖8 磁梯度法1號斷面曲線

2號斷面：

如圖9所示，可以看出在2號斷面6～11號孔均存在處存在磁異常，且8、9號孔遇到不明障礙物，7、10號孔均呈現(xiàn)完整的“S”型磁異常，兩側(cè)6、11號孔磁異常逐漸減弱。6、7號孔負值大正值小，判斷鉆孔位于管道南側(cè)；10、11號孔負值小正值大，判斷鉆孔位于管道北側(cè)。利用軟件計算正演擬合曲線6、8、9、11四條

圖9 磁梯度法2號斷面磁測曲線

曲線幅值和正負值大小關系都與實測數(shù)據(jù)基本吻合(圖10)。綜上所述推測為此處為鋼筋混凝土管線的反映，管線中心高程為-2.08。

圖10 磁梯度正演曲線圖

5 結 論

本項目是綜合利用物探方法尋找電力頂管管道的典型案例。地震映像法的快速便捷與磁梯度法的準確性兩種物探方法的有效結合。在充分搜集資料的基礎上，先利用地震映像法進行初步判斷，斷面圖確定疑似目標管線靶區(qū)；再利用磁梯度法對疑似區(qū)域鉆孔探測，根據(jù)管道天然磁場的分布規(guī)律，成功判斷出管道精確位置及埋深。本次探測數(shù)據(jù)得到了甲方及設計單位認可，為后期排水管道頂管設計、施工提供有利的數(shù)據(jù)保障。