深埋管線探測方法分析

吳 杰

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

0 引言

非開挖敷設管道技術不需要開挖地面，能穿越地面構筑物及公路 、鐵路 、河道， 從而節省大量投資和時間，是對傳統開挖法管線施工的一次技術革命，近年來，在給水、排水、煤氣 、電力 、通信 、液化氣、天然氣輸送管的施工方面得到廣泛應用。隨著非開挖施工的管線越來越多，由于其敷設的管線距離長(L>300 m) 、埋深大(h>5 m) ，已超出了目前市場上的地下管線探測儀器標稱的勘探深度[1]。因此，結合實際工程案例，將其他地面物探方法應用到深埋管線探測中來，取得了較好的效果。

1 管道陀螺儀定位法

陀螺儀定位法主要是結合數學、力學的矢量計算以及地球重力磁場的作用而形成的一門新技術，其主要作用就是導向定位。在采用陀螺儀定位技術對管道進行探測時，需要將外置的牽引設備通過管線繩索和鋼絲等作為導引，將陀螺儀放置于所需要探測的目標管道中，然后根據陀螺儀接收器所顯示出來的位置信息進行坐標采集，形成三維地理信息圖像，最后從圖像中的數據來判斷管道的具體位置。

如2017年所經歷深圳市寶安區某地下管線探測項目，要求在管道內部新敷設110 kV的高壓電纜，而項目所在位置位于西鄉大道以及新安四路的交界處，臨近地鐵1號線坪洲站，施工場地較為復雜，因此，當時決定采用非開挖的形式進行管線鋪設。該項目預備的施工PE材質管道外徑223 mm，內徑185 mm，施工方式為非開挖法，因此，在施工的過程，需要借助陀螺儀對管道進行精準定位。該施工項目使用的陀螺儀為上海盛依科技生產的型號為APL-B的陀螺儀，需要另外配合XT20CA的地下探測儀一起使用，APL-B陀螺儀定位使用比較簡單，沒有繁瑣的圖形解析，無需管道出露點，無需連接信號，可在5 min之內完成管線定位。本項目案例采用陀螺儀定位從南段A-3-201開始至南段A-5-118之間的范圍，長度約為102 m，在設備進入管道之前，需要將發射頻率調到295 kHz，然后再將信號探頭沿著洞口深入地埋深處，通過發射電磁信號來搜索管道的位置，如果XT20CA管線探測儀接收到電磁反饋回來的信號，其屏幕上會有坐標和圖形顯示，可以直接讀取即可。該項目進行了2次探測，并通過開挖的方式對探測儀顯示的4個坐標位置進行確認。最終確認的結果為:APL-B陀螺儀所顯示的坐標和實際開挖的平面位置其偏差約為1.93 cm，埋深誤差約為22.16 cm。因此，技術員可以確認陀螺儀探測誤差小于管線探測儀的誤差，其精度能夠滿足本次管道鋪設的施工要求。

2 高密度電阻率法

在城市地下空間施工過程中，有時需要對地底下的一些管徑低于10 mm非金屬類的PE材質進行探測，如果采用的是感應類電磁法可能會出現探測出的目標位置偏離實際位置太遠或者無法探測出具體的位置的情況，遇到這種情況，高密度電阻率法的優勢就會非常明顯。高密度電阻法是常規電阻法的一種，其基本原理是通過檢測設備的電極來傳導電流信號檢測目標電場的位置信息。一般情況下，將探測設備中的電極分為A極和B極兩種，在探測過程中，工作人員通過設備對探測目標的下方地底部傳導低頻直流信號，在傳導電流的同一時間，工作人員需要觀察其兩極之間的電勢差(ΔUMN)，然后通過電阻率(ρ)來計算A極和B極之間的傳導電流ρs，其計算公式為ρs=k(ΔUMN/I)，式中的k為探測設備的傳導系數。

參考2018年在深圳市龍崗區某施工段排水管道改造項目，該項目位于龍崗大道以南，施工位置西側50 m范圍內有一座加油站，地下管線的分布較為錯綜復雜，難度最大的是原始圖紙中部分位置的管徑和埋深程度和實際對應不上，并且部分區段的管線由于反復開挖施工導致管道的老化磨損程度非常嚴重。該項目屬于老舊管道改造工程，按施工技術要求，施工人員需要將新的管道埋至地下2.3 m，然后再填充混凝土，因此，在改造過程中，采用的是高密度電阻法對之前老舊的排水管道的具體位置進行探測。

施工項目所采用的管徑剖面長10 m，點距0.6 m且垂直于管道進行鋪設，如圖1所示。通過設備對相應的位置傳導電阻率值為55～380 Ω·m，技術員通過設備屏幕顯示的點位來觀察阻圈的特征，在傳導電阻率值達到283 Ω·m時，發現管道有出現裂隙的特征，其反饋出來的信號在設備屏幕上是低阻封閉圈的特征，因此，就根據以上特征判斷該位置為排水管道分布位置，可以進行下一工序的開挖作業。在開挖后，也驗證了排水管道實際位置與采用高密度電阻法所推測出來的位置基本一致。

圖1 高密度剖面成果圖

3 瑞雷波探測法

瑞雷波探測法也稱之為面波探測法，其技術難點主要在于激發接收和識別方面比較復雜，最近幾年在我國管道探測應用上也逐步增多，和地震勘探法相比，瑞雷波屬于干擾的面波，其波形相速度和頻率呈線性變化，因此，在管道探測行業中，利用其特性對地下構造的情況進行探測。參考2019年在深圳市羅湖區黃貝嶺某管道施工項目，該項目位于深南東路以北，北斗路以南，靠近華僑新村西側人工池塘邊沿，施工位置的地下淤泥較多；另外，施工位置的周邊環繞著很多農民房，施工場地非常狹窄，因此探測的長度也會受到一定限制，從而導致部分施工區域無法采用高密度電阻率法進行探測，所以，基于以上因素考慮，當時項目施工部分采用瞬態瑞雷波法進行探測作業。圖2為瑞雷波法探測出來的圖形以及數據。例如圖2(a)6.5 m區域點和9.5 m區域點其頻散曲線較為曲折復雜，表現為明顯的異常狀況；另外，從圖2(b)也可以看到該點所對應的瑞雷波速度等值圖，其剖面點長度對應位置有一處高速異常體。因此，從上述分析來看，大致可以確認圖2所顯示的高速異常體很有可能就是之前鋪設好的天然氣管道。

圖2 瑞雷波測試成果

4 地震映像法

地震映像法的基本原理是以地層的物性差異作為依據，利用波形的反射和折射原理，按照標準化的偏移量來逐步移動位置距離進行地震信號接收，在該偏移距接收的反射波具有良好的信噪比和分辨率。

例如深圳市寶安區西鄉某城中村新建辦公樓項目，由于施工項目管理不到位，沒有對該項目位置的地形進行詳細調查，在地基施工完成后，才知道該項目位置地下有一條材質為砼直徑約為0.8 m排水管道通過。施工場地已經完全澆筑混泥土，并且埋設管道位置在地基澆筑混凝土之前沒有進行標記，因此，如果后續項目繼續施工，地下埋設可能會對排水管道造成很大影響。經過項目團隊討論，最后決定委托某廣東地質勘探研究院對項目地基所處位置的排水管道的位置進行探測。由于項目場地上部均澆筑了混凝土，采用地質雷達的探測方法基本上識別排水管道的位置，再加上表面混凝土為高阻層，也無法采用高密度電阻率法進行探測，因此，經過多次的施工現場對比試驗，省地質勘探研究院最終采用地震映像法進行排水管道探測，探測點距設定為0.5 m，按照現場狀態分析，將偏移距設定為2 m，探測結果可參考圖3。通過對圖3進行分析，可以很清楚地觀察到15 ms處出現一個反射層，結合混凝土填埋的深度，推測其管線埋深約為2.5 m，這個探測距離和項目部所存檔的施工記錄的數據基本上一樣。另外，在探測測線的2.2 m間距位置發現另外一個反射異常體，其反射計算得出的深度約為1.1 m，后面經過開挖驗證這個反射異常體式一塊直徑為1.3 m的巖石。除此之外，圖3地震映像法所得出的結果中的9.1～10.0 m位置端、反射速度在22 ms附近也有一反射異常體，通過數值計算，判定該異常體埋深約為4.3 m，這個深度和從之前排水管道施工企業獲取的資料中所記錄的深度的吻合程度非常高，因此，大致可以確認該位置就是給水管道實際位置。

圖3 地震映像法測試成果

5 結論

本文所論述的4種深埋管線探測方法均結合筆者的實際工作案例，從不同的角度對深埋管線探測問題提出了解決方案，并采用開挖的形式對探測的效果進行最終確認，可得到以下結論。

1)對于一些深埋管線，因信號干擾大，難以測定其準確位置，增加了后期交叉管線施工的安全風險，需要采用管道陀螺儀定位法。

2)在深埋管線探測工程中，根據工程實際情況，選擇合適地面物探方法，可以得到較好的應用效果。

3)高密度電阻率法的探測成果較為直觀，可以確定管線的平面位置和大致埋深，但由于該方法屬于“體積探測法”，因此在選用該方法時，除了要考慮電性差異外，還要考慮其徑深比，從而選擇合適的電極距、測線長度和布設位置。另外，該方法受場地范圍影響較大。

4)地震映像法基本上不受場地影響，但其探測精度相對較差，只能大致確定管線的平面位置和估算管線埋深。