姚 金，張 華，孫思亮

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，大量的城市基礎(chǔ)設(shè)施建成并投入運(yùn)行，其中各類縱橫交織的地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，主要包括給排水、燃?xì)狻崃?、工業(yè)管道、電力、通訊等管線及其附屬設(shè)施［1-2］。城市地下管線種類繁多，空間分布上具范圍廣、規(guī)模大、交錯復(fù)雜等特點，城市發(fā)展促使市政工程的建設(shè)規(guī)模越來越大，地下管線的變化及增長也隨之加快。地下管線是城市賴以生存和發(fā)展的必要保障，它承擔(dān)各種物質(zhì)與信息的調(diào)配與傳輸，是維持城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的“大動脈”，被稱之為“城市生命線”［3-5］。

在城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)過程中，各城市的新建、改建、擴(kuò)建工程越來越多，而勘察是工程建設(shè)重要的一項前期工作［6］。城市環(huán)境下為保障勘察工作安全、有效的開展，就需采取有效措施避開錯綜復(fù)雜的地下管線實施鉆探施工作業(yè)［7］。如何做到有效避開地下管線，是城區(qū)勘察工作中的一大難題。鉆探過程中一旦發(fā)生損壞地下管線事故，將帶來諸多不良影響，甚至造成人員傷亡［8］。本文從城市環(huán)境勘察工作實際出發(fā)，分析勘察工作中常用規(guī)避地下管線措施方法的利與弊，重點從人工挖探方式入手，介紹了采用四極探針方法識別挖探過程中所遇障礙物的材質(zhì)，進(jìn)而判斷其是否為地下管線，為工程勘察開孔過程中地下管線排查提供了一種新的技術(shù)手段。

1 規(guī)避地下管線方法分析

1.1 地下管線資料收集

一般情況下，在工程建設(shè)前期均需對建設(shè)場地范圍內(nèi)的地下管線進(jìn)行普查或者詳細(xì)勘查?？辈靻挝辉谶M(jìn)場之前應(yīng)向項目業(yè)主或各類管線權(quán)屬單位等收集地下管線資料，進(jìn)行分類整理，結(jié)合勘探孔的實際位置，現(xiàn)場逐孔比對核實，并邀請管線部門到現(xiàn)場對接交底，依據(jù)既有管線資料對各個鉆孔進(jìn)行風(fēng)險排查［9］。

由于我國城市建設(shè)進(jìn)程較快，老舊城區(qū)管線設(shè)計、施工未能跟上城市發(fā)展的步伐，導(dǎo)致實際管線位置與原有圖紙存在比較嚴(yán)重的偏差，甚至有些地下管線因時間相隔較遠(yuǎn)，圖紙已丟失［10］。也可能有些新埋設(shè)的地下管線還沒完成資料歸檔，導(dǎo)致未能及時收集到。以上這些因素也就導(dǎo)致通過收集地下管線資料進(jìn)行鉆孔風(fēng)險排查仍存在發(fā)生鉆探損壞管線的安全隱患。

1.2 地下管線探測

根據(jù)收集的地下管線資料進(jìn)行管線排查是開展勘察工作的第一道工序，但收集的資料仍存在不全或不準(zhǔn)確的情況。經(jīng)與權(quán)屬單位現(xiàn)場核實發(fā)現(xiàn)缺失圖紙或位置不明確或偏差較大時，就需采用物探方法進(jìn)一步排查鉆孔位置下的地下管線。地下管線探測常用的方法主要有電磁感應(yīng)法、電磁波法、地震波法、直接量取法、示蹤法、軌跡法及井中磁梯度法等。對于無明顯點的隱蔽地下管線常用和有效的方法主要是電磁感應(yīng)法、地震波法和電磁波法，示蹤法和軌跡法主要用于有空腔，儀器能進(jìn)入管道內(nèi)部調(diào)下，直接量取法則主要用于排水管道明顯點［11-12］。采用電磁感應(yīng)法、地震波法、電磁波法等物探方法進(jìn)行地下管線探測，均為依靠物理場間接獲取地下管線位置的方法，其易受到探測對象與周邊土體性質(zhì)差異、周邊環(huán)境干擾、管線埋深較大、人為操作誤差及管線交錯繁雜等因素影響，現(xiàn)有的探測儀器及方法仍存在一定的局限性和不確定性［13-14］。

1.3 人工挖探

經(jīng)地下管線資料收集和探測后仍不能完全排除孔位地下管線風(fēng)險，所以根據(jù)收集的地下管線資料和管線探測成果確定勘探點孔位后還不宜直接采用機(jī)械鉆進(jìn)。為了進(jìn)一步保障鉆探不損壞地下管線，城市環(huán)境條件下勘察作業(yè)還常采用人工開挖探坑方式進(jìn)行管線排查。通過人工開挖鏟除上部土體，可直接查看勘探點位一定深度范圍內(nèi)有無地下管線設(shè)施，以此方式可較大程度的避開大多數(shù)管線［15］。但在城市環(huán)境下開挖探坑易受城市道路、場地建筑、地下管線等限制，開挖面一般不允許過大，邊長不宜超過1.0 m，并且單靠人工挖探，探孔深度一般不超過2.0～2.5 m，探孔開挖深度越深，所需的開挖工作面越大，所以采用人工開挖探坑方式排查地下管線也存在一定的限制條件。廣州市城市軌道交通項目勘察工作要求鉆探開孔執(zhí)行“挖三貫六”措施?！巴谌奔礊椴捎萌斯ね谔椒绞酵谥恋孛嬉韵?.0 m，首先是采用風(fēng)鎬破除路面達(dá)到填土層，再采用鐵鍬、撬棍、風(fēng)鎬等工具實施開挖，一般開挖至1.5～2.0 m 深度后，人工開挖作業(yè)所使用的工具功能受限，接著采用洛陽鏟在開挖探坑內(nèi)向下進(jìn)行洞探，洞探深度需挖至地面以下3.0 m，口徑不小于150 mm。在開挖過程中如遇到地下管線或未知障礙物時，則應(yīng)移位重新開挖，直至安全挖探至3.0 m?！柏灹笔侵搞@機(jī)就位原挖探孔位后，采用重錘錘擊巖芯管或套管至地面以下6.0 m 深度。實施錘擊貫入前巖芯管或套管需對準(zhǔn)經(jīng)人工開挖至3.0 m 探坑的中心位置，嚴(yán)禁采用重錘大距離下落擊進(jìn)，開孔過程需技術(shù)人員全程旁站，遇到跳錘或難于擊進(jìn)等異常情況時，需分析具體原因，如無法確定遇到障礙物為非管線或非地下建筑等設(shè)施時，則應(yīng)停止擊進(jìn)，更換孔位重新按照作業(yè)流程開孔。

綜上所述，在城市環(huán)境條件下開展勘察工作時，地下管線資料收集、地下管線探測、人工挖探均無法保證能完全排除地下管線風(fēng)險。實際工程中也是聯(lián)合以上方式逐步排查，最大限度地保障勘察現(xiàn)場工作安全。一般排查步驟為：①進(jìn)行地下管線現(xiàn)況調(diào)繪及資料的收集；②再開展地下管線探測；③綜合收集的地下管線資料和探測成果，選定勘探點位，再實施人工挖探，挖探到既定深度后方可開展機(jī)械鉆探。人工挖探為勘探點管線排查最后一道工序，也是最為直接排查地下管線風(fēng)險的方式，但其也存在一定缺陷，如上所述，當(dāng)“挖三”或“貫六”過程中遇有不明障礙物時，為保證開孔安全，一般都是采取移位重新挖探方式處理，這樣也就直接影響施工進(jìn)度和造成人力、物力的浪費(fèi)。為此，本文提出采用微小極距四探針方法獲取挖探或擊進(jìn)過程所遇障礙物視電阻率值，以此為依據(jù)判斷其是否為地下管線，為工程勘察開孔過程中地下管線排查提供了一道新的工序。

2 微小極距四探針方法

微小極距四探針方法是基于地球物理勘探方法中的電法勘探為基礎(chǔ)形成的一種測試方法。其主要是以目標(biāo)體的導(dǎo)電性為依據(jù)，通過微小極距電極人工向目標(biāo)體加載直流電流，再用相應(yīng)儀器觀測微小極距電極相對位置的電位大小，以此獲取目標(biāo)體的視電阻率值，從而推斷目標(biāo)體的材質(zhì)。

四探針電阻率測試采用的是直流四極法視電阻率測試原理。四探針法采用4個等距排列的微小電極貼合待測障礙物表面進(jìn)行測試，給外側(cè)2 個探針施加恒流電壓并測得回路電流值Ι，內(nèi)側(cè)2個探針測試其電壓值U，根據(jù)式⑴即可得出待測障礙物視電阻率值ρ。

式中：a為微小電極間距；U為內(nèi)側(cè)2 個探針M、N 間的電勢差；Ι為外側(cè)2 個探針A、B 間的電流，如圖1 所示［16-17］?；谒臉O法測試電阻率原理，實際工作中把4 根小型銅電極固定在塑料板上，電極距（探針間距）設(shè)定為10 mm，固定電極塑料板連與伸縮探桿連接，用于下放塑料板電極探頭置于挖探孔洞中的障礙物上，使4根電極探針均與障礙物接觸，從而形成視電阻率測試回路。

圖1 四探針法測量示意圖Fig.1 Measurement Diagram of Four-probe Method

地下管線的材質(zhì)主要由鑄鐵、鋼材、水泥、陶瓷、塑料等構(gòu)成，諸如金屬、非金屬管線材質(zhì)與地下土體或石塊等的電性差異較大，如勘探孔遇至障礙物，依據(jù)四極法測試的障礙物視電阻率值即可推斷其介質(zhì)材料，判定其是否為地下管線，為挖探或錘擊提供處理障礙物的決策依據(jù)。

微小極距四探針方法測試設(shè)備主要包括兩部分：①上述介紹的微小極距電極探頭；②用于測量電極間電位差、電流或電阻率值的測試儀。

目前市場上常用的電法儀一般都具備測量電位、電流及電阻率值功能，如多功能數(shù)字直流激電儀（WDJD）和高密度電法儀（AGI）等。該類儀器主要用于觀測和研究地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)勘探地球物理場的變化，測試精度和測量范圍值與微小極距獲得的物理值不相匹配，且設(shè)備重量偏重，不利于工程勘察開孔作業(yè)現(xiàn)場靈活作業(yè)。為此，通過自行設(shè)計生產(chǎn)成套探孔管線識別儀主機(jī)（見圖2），其重量為1.5 kg，電壓測量范圍±5 V，電壓精度≤100 nV，電流測量范圍0～5 000 mA，測量電流分辨率100 nA，電流精度2 nA，輸入阻抗≥10 MΩ，電阻測量范圍為10-6～106Ω。采用伸縮桿把手連接上述微小極距電極探頭板，4根微小電極引出連接線可與測量主機(jī)的4個接線柱連接，微小極距四探針法測試探桿如圖3所示。

圖2 探孔管線識別儀Fig.2 Identification Instrument

圖3 微小極距四探針法探桿Fig.3 Micro Pole Distance Four Probe Method for Borehole Pipeline

3 應(yīng)用實例

基于基礎(chǔ)理論采用上述研制的微小極距四探針探桿和探孔管線識別儀主機(jī)可實現(xiàn)探孔障礙物目標(biāo)體的視電阻率測試，從而達(dá)到推測所遇障礙物材質(zhì)目的。為驗證設(shè)備的實際應(yīng)用效果，取鑄鐵管、PVC 管、不銹鋼管、干混凝土管及濕潤土5 種介質(zhì)開展電阻率值測試試驗，各介質(zhì)測試視電阻率值如表1 所示。金屬材質(zhì)管線（鑄鐵、不銹鋼）、非金屬材質(zhì)管線（PVC、混凝土）與濕土之間的相互差異明顯，依據(jù)測試獲取的視電阻率值可直觀的區(qū)分和判斷被測目標(biāo)體的材質(zhì)大類，因此對于勘察探孔中所遇障礙物采用該方法進(jìn)行管線識別是可行的。

表1 各材質(zhì)測試視電阻率值Tab.1 Test Apparent Resistivity of Each Material

廣州某城際線路工程全長42.4 km，全線為地下線，跨越荔灣區(qū)、越秀區(qū)、白云區(qū)，線路主要沿市政道路和下穿密集房屋區(qū)，勘察場地環(huán)境條件復(fù)雜，地下管線密集分布?？辈炱陂g嚴(yán)格按照管線資料收集整理、現(xiàn)場管線探測及執(zhí)行“挖三貫六”開孔流程進(jìn)行管線排查，同時在“挖三貫六”過程中配合使用微小極距四探針方法識別挖探過程中所遇障礙物，提供人工開挖決策依據(jù)。

該城際項目某鉆孔實施人工挖探至1.20 m 深度，因挖探工具受限，隨后采用洛陽鏟繼續(xù)向下挖探，在挖至地面以下約1.80 m 深度時遇到較硬障礙物，挖探工作被迫暫停。因未知所遇障礙物是否為管線，不能使用重錘擊進(jìn)和機(jī)械鉆進(jìn)，為此項目組利用探孔管線識別儀對所遇障礙物進(jìn)行探查，分別進(jìn)行了5 次數(shù)據(jù)采集，測得視電阻率為218.52～1 457.49 Ω·m，平均值為890.67 Ω·m，依據(jù)視電阻率值基本排除所遇障礙物為PVC 類非金屬管線或鑄鐵類金屬管線，為此，建議施工班組不需移位，在原挖坑位置向四周擴(kuò)大挖探孔處理，結(jié)果擴(kuò)大原挖探孔后在障礙物旁側(cè)順利繼續(xù)下探至到要求深度的3.0 m 位置。挖穿后經(jīng)擴(kuò)孔察看原遇障礙物實際為回填的石塊，與探孔管線識別儀判斷為非管線結(jié)論一致，為繼續(xù)原位挖探施工決策提供了依據(jù)，避免移位重新開孔環(huán)節(jié)，保障了該孔鉆探工作的順利實施，如圖4所示。

圖4 探測現(xiàn)場Fig.4 Detection Site

4 結(jié)論

在城市環(huán)境下開展勘察作業(yè)，地下管線保護(hù)一直是勘察單位所關(guān)注的一大重點。在地下管線資料收集、地下管線探測、人工開挖排查地下管線的基礎(chǔ)上，采用微小極距四極探針方法對挖探過程中所遇障礙物進(jìn)行識別，以此指導(dǎo)人工挖探或機(jī)械擊進(jìn)遇到障礙物時的決策，具有一定的創(chuàng)新性，也為城市環(huán)境勘察中規(guī)避地下管線提供了又一道防線。

⑴依據(jù)四探針方法原理，采用微小極距四探針方法是可以較直接測得被測對象的視電阻率值，具有科學(xué)理論基礎(chǔ)和實際可操作性。

⑵管線材質(zhì)不同對應(yīng)的電性參數(shù)也不同，一般適用的金屬和非金屬材質(zhì)之間電性差異明顯，其與常規(guī)填土間差異也可區(qū)分，為采用微小極距四探針方法的應(yīng)用提供了物性前提。

⑶微小極距四極探針方法應(yīng)用于廣州某城際項目中，取得了較好的效果，但實際工作中，對于地下水位以下的障礙物，由于水體易引起“短路”，測取的電阻率值偏差加大，后續(xù)還需開展進(jìn)一步研究，拓展該方法適用于地下水位以下環(huán)境。