姚 金，張 華

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010）

隨著城市化的發(fā)展，城市工程建設(shè)日益頻繁。勘察作為工程建設(shè)的前期工作必不可少，如何保障城市勘察工作的安全已越來越受到重視，尤其是對(duì)地下管線或建（構(gòu)）筑物設(shè)施的保護(hù)，各大主要城市針對(duì)城區(qū)施工建設(shè)活動(dòng)相應(yīng)制定了有關(guān)地下管線保護(hù)制度。如廣州市人民政府辦公廳于2022 年發(fā)布了《廣州市人民政府辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)地下管線保護(hù)的實(shí)施意見》，文件明確要求需落實(shí)鉆探作業(yè)安全管理。建設(shè)工程行業(yè)主管部門和地質(zhì)勘查主管部門要建立勘察工作監(jiān)督檢查制度，加強(qiáng)工程現(xiàn)場(chǎng)勘察管理，將鉆探作業(yè)納入各自行業(yè)領(lǐng)域工程監(jiān)管體系，監(jiān)督抽查建設(shè)單位（或地質(zhì)勘查項(xiàng)目業(yè)主）落實(shí)地下管線保護(hù)措施情況。文件還明確勘察單位對(duì)勘察期間地下管線保護(hù)負(fù)主體責(zé)任，在地下管線安全保護(hù)范圍和安全控制范圍內(nèi)作業(yè)，應(yīng)按建設(shè)單位與管線權(quán)屬單位簽訂的地下管線保護(hù)協(xié)議，落實(shí)地下管線保護(hù)措施，防止勘察時(shí)破壞地下管線[1]。當(dāng)前，在城市勘察工作中，為避免破壞地下管線主要采用管線資料搜集、管線探測(cè)、權(quán)屬確認(rèn)和人工挖探等措施。管線資料搜集即向建設(shè)單位、規(guī)劃部門、管線權(quán)屬單位等搜集對(duì)應(yīng)工程范圍既有管線圖成果。由于部分的地下管線年代久遠(yuǎn)，其施工資料或已丟失，或較陳舊，也有些是并未經(jīng)過測(cè)量而直接標(biāo)注的示意圖，因而有些資料顯示的地下管線與實(shí)際位置不相符合，且有些新近埋設(shè)的地下管線資料尚未歸檔，無法及時(shí)搜集到，這也可能造成勘察期間實(shí)際利用時(shí)準(zhǔn)確度不高[2]。管線探測(cè)主要采用管線儀或地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)探查，受場(chǎng)地條件或技術(shù)手段限制，對(duì)于非金屬管或埋深大于3 m以下的管線易出現(xiàn)漏探情況。權(quán)屬確認(rèn)主要是由勘察單位邀請(qǐng)各類管線權(quán)屬單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)管線位置，該項(xiàng)工作受管線權(quán)屬單位的配合程度影響，而且遇有老舊管線，權(quán)屬單位有時(shí)也缺少資料，未能準(zhǔn)確指認(rèn)具體位置。人工挖探是最為直接的方法，人工挖探方式因其可直接排查管線風(fēng)險(xiǎn)已逐漸被各大城市所采用。人工挖探受城市道路、建筑場(chǎng)地、管線等限制，開挖面一般不允許過大，這直接影響到開挖深度，一般開挖探坑多在2 m 左右，對(duì)于2 m 以下管線的排查則采用洛陽鏟進(jìn)行洞探。進(jìn)行洞探時(shí)常常遇到填石、管線等障礙物而未能挖探到預(yù)定深度，一旦遇到障礙物因不能確定是否為填石或管線，往往都是移位再重新挖探，直接影響工程進(jìn)度和浪費(fèi)人力、物力等[3-4]。針對(duì)開孔挖探到一定深度遇有未知障礙物，筆者通過研究分析四探針電阻率測(cè)試?yán)碚?，采用微極距四極探針技術(shù)可直接測(cè)得地下障礙物電阻率值，以此間接判斷遇到障礙物的材質(zhì)，可進(jìn)一步分析其為管線的可能性，為挖探工作提供決策依據(jù)，減少重新移位開孔的概率。

1 城區(qū)勘察開孔作業(yè)

城市地下管線包括給水、排水、燃?xì)狻崃?、電信、電力和工業(yè)管道等幾大類，其就像人體內(nèi)的“神經(jīng)”和“血管”，日夜擔(dān)負(fù)著傳遞信息和輸送能量的工作，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”。由于管線工程分布在地下，屬于隱蔽工程，常規(guī)勘測(cè)方法無法準(zhǔn)確獲得地下管線分布具體情況。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)很多城市原有管線資料不夠完善，不能準(zhǔn)確反映管線實(shí)際情況，信息老化、資料不全就不能完全依靠收集的資料，城市環(huán)境下勘察單位必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查和采取相應(yīng)防范鉆損地下管線的措施。城市地下管線一般位于市政道路下的0.5～3 m 之間，也有一些埋設(shè)于3 m 以下的管線，如非開挖敷設(shè)的頂管等。在工程勘察施工中，通常使用鉆機(jī)設(shè)備從地表向地下鉆孔，由于城市近地表情況復(fù)雜，且常需鉆開混凝土、填石等堅(jiān)硬物，所以鉆頭一般為金剛石鉆頭，硬度和剛度都非常大，具有很強(qiáng)的破壞力，因此一旦觸碰到地下管線，必然會(huì)對(duì)其造成損傷。廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“我院”）長(zhǎng)期從事地鐵項(xiàng)目勘察，主要勘察作業(yè)環(huán)境都在城區(qū)，通過經(jīng)驗(yàn)積累形成了一套行之有效的城區(qū)勘察作業(yè)開孔流程[5-6]。

1.1 前期準(zhǔn)備

勘察進(jìn)場(chǎng)作業(yè)前需做好管線保護(hù)的前期準(zhǔn)備工作，主要包括地下管線資料收集、鉆孔周邊管線復(fù)雜程度分級(jí)、孔位管線現(xiàn)場(chǎng)排查、移位報(bào)批。

1.1.1 地下管線資料收集

收集勘察區(qū)域管線成果資料是勘察作業(yè)前期必不可少的工作之一。一般情況下，建設(shè)單位或勘察總體單位在勘察施工前均會(huì)向勘察單位提供管線成果資料。當(dāng)建設(shè)單位無法提供時(shí)，勘察單位應(yīng)向規(guī)劃部門或相應(yīng)權(quán)屬單位進(jìn)行收集并整理。基于地下管線的復(fù)雜性、時(shí)效性及探測(cè)技術(shù)的局限性，收集到的管線成果資料仍存在與實(shí)際不符的情況，勘察單位需充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，避免完全相信和套用收集到的地下管線資料，從而造成損失。

1.1.2 鉆孔地下管線排查

在獲取地下管線成果圖后，應(yīng)把鉆孔疊加至管線圖上，查看孔位管線情況?；诠芫€圖可能存在的偏差，勘察單位施工前還應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照管線資料復(fù)核和排查孔位管線。現(xiàn)場(chǎng)排查手段主要包括儀器探測(cè)、開井蓋確認(rèn)、邀請(qǐng)權(quán)屬單位現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，通過排查進(jìn)一步完善孔位管線成果資料。

1.1.3 鉆孔周邊管線復(fù)雜程度分級(jí)

經(jīng)過排查進(jìn)一步摸清鉆孔周邊管線后，依據(jù)鉆孔與既有管線的關(guān)系對(duì)各孔進(jìn)行分級(jí)處理，如規(guī)定距鉆孔中心5m 以內(nèi)分布有軍事、燃?xì)?、輸油和高等?jí)通信、壓力管線及頂管法、定向鉆法鋪設(shè)的管線，且距鉆孔中心2 m 以內(nèi)無上述管線的檢查井，此類鉆孔定為鉆孔周邊管線復(fù)雜程度為Ⅰ級(jí)。上述管線在鉆孔中心2m 以內(nèi)有對(duì)應(yīng)管線檢查井，此類鉆孔周邊管線復(fù)雜程度定為Ⅱ級(jí)。如軍事、燃?xì)?、輸油和高等?jí)通信、壓力管線及頂管法、定向鉆法鋪設(shè)的管線距離鉆孔中心15m 以上，此類鉆孔周邊管線復(fù)雜程度為Ⅲ級(jí)。同時(shí)還可依據(jù)距離鉆孔的電纜輸電電壓、金屬或非金屬管線探測(cè)信號(hào)顯示有無等進(jìn)行鉆孔周邊管線復(fù)雜程度分級(jí)。根據(jù)不同鉆孔周邊管線復(fù)雜程度等級(jí)制定相應(yīng)的開孔措施方案和報(bào)審批流程，嚴(yán)格控制風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下，對(duì)于Ⅰ、Ⅱ級(jí)鉆孔周邊管線復(fù)雜程度的鉆孔可根據(jù)周邊場(chǎng)地環(huán)境，優(yōu)先在滿足技術(shù)要求的前提下進(jìn)行鉆孔位置調(diào)整，降低鉆孔周邊管線復(fù)雜程度等級(jí)，如無法移位降級(jí)的則采取對(duì)應(yīng)的開孔措施方案實(shí)施。

1.1.4 移位報(bào)批

經(jīng)過鉆孔周邊管線復(fù)雜程度分級(jí)工作及現(xiàn)場(chǎng)排查工作后，原設(shè)計(jì)鉆孔孔位如出現(xiàn)正好位于既有地下管線上方或距離較近時(shí)，如周邊場(chǎng)地環(huán)境有調(diào)整位置，則需相應(yīng)地避開管線風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整孔位，超出移位距離相關(guān)要求的鉆孔需報(bào)送移位方案。經(jīng)設(shè)計(jì)、總體等單位審批完成后須對(duì)調(diào)整后的新孔位重新進(jìn)行鉆孔周邊管線復(fù)雜程度分級(jí)工作，按調(diào)整后的鉆孔周邊管線復(fù)雜程度等級(jí)對(duì)應(yīng)方案實(shí)施開孔。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)開孔

勘察單位需針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)制定相應(yīng)的開孔措施，如對(duì)應(yīng)上述鉆孔周邊管線復(fù)雜程度Ⅰ、Ⅱ級(jí)鉆孔開孔需采取“挖三貫六”的原則?！巴谌笔侵溉斯ら_挖至地表以下3 m，包括破除路面、人工開挖、洛陽鏟洞探3 個(gè)步驟；“貫六”指利用鉆探設(shè)備采用巖芯管擊進(jìn)方式，從地表以下3 m 貫入至6 m 的操作。Ⅲ級(jí)周邊管線復(fù)雜程度的鉆孔則可直接采用貫入的方式，從地表直接貫入至地面以下6 m 深度以下。開孔總原則為從地表至以下6 m 深度嚴(yán)禁采用機(jī)械鉆機(jī)，以此降低損壞地下管線的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1 人工挖探

人工挖探目的是將路面挖開，暴露地下障礙物，規(guī)避地下管線。在城區(qū)實(shí)施挖探，地表主要為道路路面或混凝土地面，一開始需用風(fēng)鎬破除路面，由點(diǎn)到面、小功率謹(jǐn)慎施工，破除形狀應(yīng)以矩形為主，長(zhǎng)、寬宜控制在0.5～0.8 m 范圍。路面破除后，達(dá)到填土層，人工采用鐵鍬、撬棍、風(fēng)鎬等工具實(shí)施挖探，周邊自穩(wěn)條件好宜垂直開挖，自穩(wěn)條件差時(shí)采用“漏斗形”開挖，挖探深度約1.5 m。開挖深度宜穿透上部填土層，當(dāng)?shù)撞看嬖谡系K物時(shí)可加深，必要時(shí)擴(kuò)大路面破除范圍。人工開挖到一定深度后，鐵鍬等工具功能受限，此時(shí)則采用洛陽鏟進(jìn)行洞探，洛陽鏟刃口嚴(yán)禁打磨，洛陽鏟探應(yīng)以人力下鏟，嚴(yán)禁大錘擊打下鏟，洞探深度需挖至地面以下3 m。挖探結(jié)束后應(yīng)量測(cè)深度并進(jìn)行挖探驗(yàn)收，采用PVC 管對(duì)準(zhǔn)孔位防止沉渣覆蓋，坑內(nèi)回填砂土防止塌陷，鉆機(jī)就位前應(yīng)采用鐵板覆蓋進(jìn)行保護(hù)。

1.2.2 擊進(jìn)開孔

鉆孔孔位經(jīng)人工開挖探至3 m 驗(yàn)收后，鉆機(jī)設(shè)備方可就位，鉆機(jī)立軸對(duì)準(zhǔn)開挖孔后采用巖芯管擊進(jìn)至地面以下6 m。在擊進(jìn)過程中，嚴(yán)禁重錘大距離下落，技術(shù)人員需全程旁站，關(guān)注擊進(jìn)速率變化情況。對(duì)于異常情況，及時(shí)停止施工，分析原因。當(dāng)鉆孔附近涉及深埋管線、頂管時(shí)，應(yīng)加大擊進(jìn)深度。

2 四探針電阻率測(cè)試管線識(shí)別

2.1 挖探存在的問題

經(jīng)過管線成果收集、排查，結(jié)合“挖三貫六”開孔方式的實(shí)施，無疑可避免大部分地下管線，但也存在一定的局限性。一是現(xiàn)有探測(cè)儀器對(duì)6 m 以下深埋管線的位置探測(cè)存在不確定性，主要還是依靠資料收集和權(quán)屬確認(rèn)的成果，仍存在一定風(fēng)險(xiǎn)；二是“挖三貫六”的實(shí)施，在城區(qū)允許開挖面一般不能過大，當(dāng)淺部存在較多填石、塊石時(shí)，挖探和擊進(jìn)難度較大，尤其是在1.5～6.0 m 深度，當(dāng)遇到障礙物很難判斷是填石還是地下管線，時(shí)有把管線誤認(rèn)為是填石而允許機(jī)械破除或鉆進(jìn)而出現(xiàn)管線損失事故。對(duì)于可能出現(xiàn)的深埋管線風(fēng)險(xiǎn)，開孔過程中需加強(qiáng)資料收集和權(quán)屬確認(rèn)環(huán)節(jié)的工作，存在疑問時(shí)，應(yīng)要求現(xiàn)場(chǎng)擊進(jìn)不應(yīng)要求僅僅至6 m，應(yīng)要求擊進(jìn)至各方收集反饋的最大管線深度，以此確保安全。近地表地下障礙物一般為回填塊石、建筑垃圾、地下管線等，而地下管線主要為鑄鐵、砼、PVC 和鋼等材質(zhì)，基于此類物質(zhì)屬性及存在的電性差異，可借助獲取地下障礙物電阻率的方式來判斷其屬性。當(dāng)在實(shí)施挖探或擊進(jìn)過程中遇到障礙物時(shí)，采用專門測(cè)量?jī)x器獲取障礙物的電阻率，判斷其為管線還是塊石等，為是否采取機(jī)械破除提供決策依據(jù)，以此降低在此過程中誤損管線的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 管線識(shí)別工作原理

地下管線按其物理性質(zhì)可大致分為3 類：①由鑄鐵、鋼材構(gòu)成的金屬管線；②由鋼、鋁材料構(gòu)成的電纜；③由水泥、陶瓷和塑料材料構(gòu)成的非金屬管道。上述管線與周圍介質(zhì)在電性方面均存在差異，因此可以利用電阻率物理參數(shù)，選擇四探針電阻率測(cè)試方法進(jìn)行電阻率測(cè)試，以此來判斷管線材質(zhì)屬性。

四探針電阻率測(cè)試?yán)碚撌且罁?jù)范德堡原理，采用的是直流四探針測(cè)試方法。采用4 根小型銅電極固定在塑料板上，電極距（探針間距）為10 mm，塑料板連接伸縮探桿，用于下放塑料板電極頭置于挖探孔洞障礙物上，使得4 根電極探測(cè)均與障礙物接觸。利用恒流源給外面的A、B 探針電極通過電流，再從M、N 探針電極上測(cè)量出電位差，經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算得到障礙物材料的電阻率，如圖1 所示。

圖1 四探針法測(cè)量示意圖

依據(jù)四極法探測(cè)理論，被測(cè)地下障礙物相對(duì)探測(cè)探針間距視為無窮大，假設(shè)AM=MN=NB=a，探針M 處電勢(shì)VM是探針A 處電流源+I 和探測(cè)B 處電流源-I 之和，即有

探針N 處的電勢(shì)VN也可得出

由此，探針M 與探針N 之間的電勢(shì)差可求出

根據(jù)已知各探針間的間距a，只要測(cè)出探針M、N 間的電勢(shì)差VMN及探針A、B 間的電流I即可獲得被測(cè)障礙物電阻率值ρ

依據(jù)探測(cè)障礙物的電阻率值即可分析其介質(zhì)材料，為鉆探或挖探提供處理障礙物的決策依據(jù)[7-8]。

2.3 測(cè)試設(shè)備

由于常規(guī)電法測(cè)量?jī)x一般難于滿足管線類識(shí)別物體的電阻率范圍，為能較準(zhǔn)確地獲取地下障礙物電阻率值，基于上述電法原理，我院自行設(shè)計(jì)制作完成測(cè)試主機(jī)及測(cè)試探桿成套設(shè)備。主機(jī)為電阻率測(cè)試設(shè)備，與常規(guī)電阻率測(cè)試儀工作原理和工作方法一致。主機(jī)電阻測(cè)量范圍為10-6～106Ω，直流電壓測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.002%，電流測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度0.06%，電阻率測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.007%。測(cè)量探桿采用伸縮桿把手，探桿底部連接塑料板，銅制電極按一定間距排列呈直線固定在塑料板上，并引出連接線與測(cè)量主機(jī)連接。

3 測(cè)試應(yīng)用

為測(cè)試研制設(shè)備及研究技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，本次采用設(shè)備對(duì)鑄鐵管、PVC 管、不銹鋼管和干砼管及濕潤(rùn)土進(jìn)行電阻率值測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。從測(cè)試結(jié)果看，金屬材質(zhì)管（鑄鐵、不銹鋼）、非金屬材質(zhì)管（PVC、砼管）與濕土之間差異明顯，可直觀地區(qū)分和判斷出材質(zhì)大類，說明采用該方法識(shí)別探孔障礙物是可行的。

表1 各材質(zhì)測(cè)試電阻率值Ω·m

2022 年6 月，我院正在實(shí)施粵港澳大灣區(qū)城際線路芳村至白云機(jī)場(chǎng)工程詳細(xì)勘察，在實(shí)施MVNZ3-FC-075號(hào)鉆孔挖探過程中，人工坑探至1.20 m 深度后采用洛陽鏟挖至地面以下約1.80 m 位置時(shí)遇到障礙物未能繼續(xù)下探。隨后，采用探孔管線識(shí)別儀進(jìn)行探查，測(cè)試障礙物電阻率為218.52～1 457.49 Ω·m，測(cè)試5 組數(shù)據(jù)平均值為890.67 Ω·m，基本排除為非金屬管線或金屬管線，建議不移位擴(kuò)大挖探孔處理。擴(kuò)大后在障礙物旁側(cè)順利繼續(xù)下探至要求3 m 位置，初步判斷障礙物為回填磚塊或石塊。通過采用探孔管線識(shí)別儀的探查基本確定了障礙物為非管線物體，推薦原孔位繼續(xù)實(shí)施，避免了移位重新開孔，節(jié)省了施工時(shí)間和施工成本。探孔管線識(shí)別儀如圖2 所示，探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示。

圖2 探孔管線識(shí)別儀

圖3 探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)束語

1）依據(jù)四探針方法原理，可以采用接觸方式進(jìn)行對(duì)地下挖探所遇障礙物的電阻率測(cè)試，以此獲取其電阻率值，通過電阻率值可初步判斷所測(cè)對(duì)象的材質(zhì)。

2）研制的測(cè)試設(shè)備擴(kuò)大了電阻率測(cè)試范圍，提高了測(cè)試精度，通過測(cè)試獲取了鑄鐵、PVC、不銹鋼和砼等材質(zhì)的電阻率值，其差異明顯，可作為判斷測(cè)試材質(zhì)的基礎(chǔ)依據(jù)。

3）在城市進(jìn)行地質(zhì)鉆探時(shí)，往往需采用地面開挖至一定深度的方式進(jìn)行地下管線或建（構(gòu)）筑物的排查，當(dāng)開挖遇到障礙物時(shí)，可借助四極探針方法進(jìn)行障礙物識(shí)別及輔助決策，該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于粵港澳大灣區(qū)城際線路芳村至白云機(jī)場(chǎng)工程勘察項(xiàng)目。