磁梯度與精確鉆孔管線探測技術(shù)在軌道交通建設(shè)中的研究與應(yīng)用

徐長虹，何文峰，韋者良

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波315000)

一、引 言

城市軌道交通工程一般處在城市繁華區(qū)域，基礎(chǔ)深、線路長、風(fēng)險大，因此城市軌道交通工程項目對地下管線探測的精度要求也比較高［1］。城市軌道交通工程地下管線探測有如下特點:

1)探測場地環(huán)境復(fù)雜。由于城市軌道交通工程線路周邊建筑物密集，市政設(shè)施(道路、橋梁)眾多，地形、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，有些甚至下穿河流、橋梁，對地下管線探測精度的影響比較大［2］。

2)探測空間比較大，縱向較深。城市軌道交通工程建設(shè)開挖基礎(chǔ)比較深，一般在15～25 m左右，有的甚至超過30 m［2，6］，因此，要求管線探測的縱向范圍比較深，明顯深于一般市政工程的探測深度。

3)要求管線探測的成果質(zhì)量高、風(fēng)險大。管線探測的成果直接用于城市軌道交通工程設(shè)計、遷改和施工，成果的準確性和可靠性、探測的精度直接影響城市軌道交通工程建設(shè)工程質(zhì)量和安全［3］。探測數(shù)據(jù)精度低、可靠性差的成果資料在使用過程中不僅不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，還可能造成重大安全事故和經(jīng)濟損失［3-4］。

在軌道交通工程建設(shè)前期工作中，常常涉及軌道沿線深埋天然氣及給水管線精確定位［5］。為了滿足這些管線精確定位，本文深入研究磁梯度與精確鉆孔技術(shù)在軌道交通工程中軌道沿線深埋天然氣及給水管線的探測應(yīng)用，為深埋大管徑管線的探測提出了切實可行的方法。同時，使管線信息化能力和水平適應(yīng)我國城市經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。

二、磁梯度技術(shù)

1．磁梯度原理

在正演模型研究當中，可以將水平金屬管道局部區(qū)域簡化成為一個無限長水平圓柱體，如圖1所示［7］。

圖1 水平金屬管線正演模型

磁性體沿管線方向無限延長，磁位沿管線方向無變化。總磁場異常為［8］

磁場的垂直分量Z，水平分量H可表示為

各磁場分量梯度值(垂直分量Zα、水平分量Hα)的表達式分別為

式中Ms為有效磁矩，Ms=Js·S;Js為有效磁化強度;S為水平圓柱體的截面積;R為水平圓柱體的中心埋深;i為有效磁化傾角。

通過在管線的周邊鉆孔，將磁梯度儀碳棒放置于鉆孔內(nèi)，測量金屬管線垂直方向上的Zα曲線變化，效果比較明顯。

圖2為水平金屬管線相同一側(cè)不同水平距離垂直剖面上的Zα值的理論變化曲線圖。假設(shè)水平金屬管道的中心位置投影到地面上的零點，管中心上下各5 m，距離管線中心水平距離分別為0．5 m、1 m、1．5 m、2 m所建立模型后得到的垂直磁梯度正演理論曲線。

圖2 無限長金屬圓柱體在垂直剖面上的Zα梯度值理論曲線

2．誤差控制

(1)模型誤差

在實際中，地下管線不是無限長的，往往還有分支和轉(zhuǎn)折。理論計算表明，當一段管線的長度L遠遠大于埋深h時，管線中心剖面上磁場特征點坐標、極值與無限長水平圓柱體的特征點坐標、極值很接近，磁場極值的比值見表1，特征點位置差見表2［8］。

表1 有限長管線與無限長水平圓柱體中心剖面特征點位磁場比值表

表2 有限長管線與無限長水平圓柱體中心剖面特征點位置差表

由表2可知，當L＞6h時特征點的位置差Δ%＜10%;當L＞20時，Δ%＜2%。在選擇磁梯度探測位置時通過搜集管道資料，判定是否采用該探測模型。

(2)因磁化傾角產(chǎn)生的測量誤差

因為磁化傾角的存在，豎直鉆孔所獲得的磁梯度特征數(shù)據(jù)的所對應(yīng)的并不是管道中心的位置，在管道兩側(cè)等距對稱鉆孔時，以磁化傾角45°為例，磁梯度曲線示意圖如圖3所示。

圖3 管道異側(cè)等距磁梯度理論曲線

在管道同側(cè)不等距探測的磁梯度曲線示意圖如圖4所示。

圖4 管道同側(cè)不等距磁梯度理論曲線

通過在管道兩側(cè)對稱處進行磁梯度探測，對探測成果按與管道距離分配權(quán)重后采用加權(quán)平均法計算管道中心埋深。

(3)磁梯度感應(yīng)點不準確引起的誤差

磁梯度技術(shù)的一般采用的硬件平臺為CCT-3型磁探儀，設(shè)計用于探測沉船、橋墩及建筑物的樁基等水下和井中鐵磁性物體。適用地磁場范圍:±60 000 nT(±5%)，磁場梯度分辨率可達0．1 nT［9］。

由于設(shè)備本身設(shè)計并非用于精確探測，設(shè)備的梯度感應(yīng)點是未知的，因此可以通過正演磁場模型，分析設(shè)備結(jié)構(gòu)，采集試驗數(shù)據(jù)，準確測試出設(shè)備梯度感應(yīng)點，有效減少了由磁梯度感應(yīng)點不準確引起的誤差。

三、精確鉆孔技術(shù)

1．精確鉆孔技術(shù)原理

如圖5所示，地下鋪設(shè)有一根圓形大口徑管線，在已知半徑及管線上兩點時，就可以唯一確定該圓形管線［10］。通過打樣洞并精確量測管線埋深可以確定管線上某點的平面位置及高程，進而可以擬合出該圓形管道并確定其管頂平面位置及高程。

圖5 精確探測定位原理圖

利用粗略探測定位的成果重新確定該管道的位置及走向后，通過精細定位確定出鉆孔的平面位置，并對鉆桿垂直度進行校正后開始鉆孔，直到鉆桿接觸到待測管道為止。在鉆孔過程中下一孔鉆探深度根據(jù)上一孔的深度隨時調(diào)整，按同樣的方法依次完成其他鉆孔并逐個測定鉆孔的平面位置及深度。

精確鉆孔定位技術(shù)工作流程如下:

1)布設(shè)精確鉆孔斷面;

2)鉆孔定位:對設(shè)計鉆孔位置進行精確放樣定位;

3)豎直度校正:鉆孔的垂直度是精確探測地下管線的關(guān)鍵之一，在開始鉆孔前，使用2臺全站儀以鉆桿為中心成90°角，對鉆桿垂直度進行校正，并在鉆孔過程中對鉆桿豎直度進行實時校正;

4)鉆孔:鉆孔采用水沖法成孔，重力引導(dǎo)鉆桿下探，采用擠壓法壓迫鉆頭向下直到完全接觸到管道;

5)孔位平面位置及管接觸點高程測量;

6)按上述方法再探測管右側(cè)鉆孔的平面位置和管接觸點高程，并根據(jù)和前一個鉆孔管接觸點高程的差值調(diào)整下個鉆孔位置。

2．誤差控制

精確鉆孔誤差主要來自以下幾個方面:

(1)儀器誤差

采用的鉆孔設(shè)備為普通勘探用鉆機，使用時需對擬采用的鉆桿、鉆孔導(dǎo)向管、鉆桿拼接進行嚴格的校驗。鉆孔長度采用鋼尺量測，讀數(shù)保留至毫米位，單根鉆桿彎曲度應(yīng)控制在1‰以內(nèi)，鉆桿拼接后累計彎曲度2‰以內(nèi)［11］。

(2)豎直度偏差

在開始鉆孔前，使用2臺全站儀以鉆桿為中心成90°角，對鉆桿豎直度進行校正，并在鉆孔過程中對鉆桿垂直度進行實時校正。鉆孔前豎直度偏差應(yīng)控制在1．5‰以內(nèi)，精確鉆孔過程全程實時校正，當豎直度偏差超過2‰時即可將所有鉆桿拉起，重新調(diào)整鉆機，使之平衡［11］。

(3)未知障礙物干擾

在鉆孔時為防止地下硬物干擾，導(dǎo)致精確鉆孔豎直度偏離，一般宜采用高壓水沖成孔。在高壓水沖無效時，可選用金剛石鉆頭直接鉆孔，然后重新調(diào)整鉆機平衡。對管道附近的未知障礙物，通過磁梯度手段判定［12］。

四、實例

1．實例一

寧波市鄞州區(qū)雅戈爾大道與鄞州大道路口處有一條管徑為273 mm天然氣供氣主管線，其平面位置橫穿寧波市軌道交通4號線一期工程設(shè)計的所有4條軌道線路，如圖6所示。該管道采用非開挖頂管施工工藝鋪設(shè)，埋深較大且不固定，相關(guān)單位也無準確可靠的管線高程數(shù)據(jù)，按照施工方提供的施工資料可知在軌道線設(shè)計線路范圍內(nèi)埋深最大處約為10 m，與軌道的兩條設(shè)計輔線標高十分接近，為確保軌道盾構(gòu)施工安全進行，需要對此天然氣管線進行精確探測定位定深。

圖6 天然氣管線磁梯度斷面布設(shè)示意圖

鑒于該管線的特殊性和重要性，采用磁梯度法進行探測。在垂直于管線方向上布設(shè)了3個斷面，如圖6所示，在每個斷面處進行間距約為0．5 m鉆孔依次探測(斷面1有3個鉆孔分別為K3、K4、K5，斷面2有2個鉆孔分別為K1、K2，斷面3有4個鉆孔分別為K10、K11、K12、K13)，孔深均超過10 m，鉆孔成孔后將管口尺寸與鉆孔相當?shù)乃芰咸坠芊湃脬@好的孔中，把磁梯度儀探棒放入塑料套管最底部，以0．1 m的間隔從孔底開始依次往上牽引探棒并測量記錄各點的磁梯度值。圖7、圖8和圖9分別為斷面1、斷面2、斷面3處磁梯度探測曲線。

圖7 斷面1的磁梯度探測曲線

圖8 斷面2的磁梯度探測曲線

圖9 斷面3的磁梯度探測曲線

根據(jù)以上磁梯度探測曲線可以得出:

斷面1中在標高－1．90～－3．90 m部位時，磁梯度值波動劇烈，可以判定所測燃氣管的中心高程在標高－2．90 m處(加上地面標高，埋深約6 m)。

斷面2中在標高－4．00～－6．40 m部位時，磁梯度值波動劇烈，可以判定燃氣管的中心高程在標高－5．60 m處(加上地面標高，埋深約9．50 m)。

斷面3中在標高－4．90～－6．90 m部位時，磁梯度值明顯波動，可以判定燃氣管的中心高程在標高－5．90 m處(加上地面標高，埋深約10 m)。

最后，在斷面3處，采用了鉆探高精度定位方法對該管線進行定位和定深測定驗證，所得到的結(jié)果正好與磁梯度技術(shù)探測結(jié)果相吻合，表明了該方法精確可靠。

2．實例二

寧波市鄞州區(qū)鄞州大道、雅戈爾大道交叉口西側(cè)有一管徑為1800 mm給水管線，與寧波市軌道交通2號線一期設(shè)計線路相交，該給水管道采用非開挖頂管施工工藝，埋深約為7～8 m，對寧波市軌道交通2號線工程在該區(qū)域內(nèi)的施工方案具有較大影響。因此，對該管線的具體位置、走向及埋深進行精確探測至關(guān)重要。

采用精確鉆孔技術(shù)進行探測，在斷面處4個鉆孔所得到的管頂高程如表3所示。

表3 孔位高程表 m

分別以其中三個高程數(shù)據(jù)為準，擬合圓形管道，如圖10所示。

圖10 管道擬合效果圖

得出管道高程如下:

1)以1#、2#、4#孔為準擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．95 m，4個高程平均差值為0．030 m、最大差值3#為0．08 m;平面位置偏離2#孔以西0．137 m。

2)以1#、3#、4#孔為準擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．93 m，4個高程平均差值為0．023 m、最大差值為4#孔0．04 m;平面位置偏離2#孔以東0．113 m。

3)以2#、3#、4#孔為準擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．93 m，4個高程平均差值為0．030 m、最大差值為1#孔0．06 m;平面位置偏離2#孔以西0．091 m。

4)以1#、2#、3#孔為準擬合圓形管道，得出管頂高程為－3．93 m，4個高程平均差值為0．043 m、最大差值為4#孔0．09 m;平面位置偏離2#孔以西0．079 m。

從上述擬合效果來看，在4種情況下管道高程互差最大0．02 m，取平均值確定管道管頂高程為－3．935 m。因此可得，該方法誤差很小，表明了該方法精確可靠。同時，說明了該方法在這種深埋大管徑管線的探測是確實可行的。

五、結(jié) 論

本文創(chuàng)新性的采用磁梯度與精確鉆孔技術(shù)應(yīng)用于軌道交通工程中軌道沿線深埋天然氣及給水管線的探測。通過相關(guān)的工程實例進行探測，取得了良好的效果，同時，驗證了這兩種方法的精確可靠性。

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