物探方法在電力非開挖管線精確探測中的應用

李 強

（上海新地海洋工程技術有限公司，上海 200083）

隨著地下管線施工新方法、新技術的迅速發展，采用非開挖技術敷設地下管線的方法已趨于成熟，并得到了廣泛應用，不僅減少了地下管線施工對既有道路、房屋及景觀等的影響，加快了城市地下管線敷設的速度，還帶來了較好的經濟效益和社會效益。地下非開挖管線埋深大（埋深已達30m以上），空間分布較復雜，呈直線、單緩弧線（深度方向）或雙緩弧線（水平方向、深度方向）分布，由于早期施工設備較落后，施工技術不夠成熟，管線竣工資料驗收不嚴，使得竣工資料與實際相差較大，因此難以滿足后續地下空間開發施工的需求。為了避免建設項目如樓房、隧道、橋梁、管道（頂管、拖拉管、開槽埋管等）的施工損壞已經敷設好的地下非開挖管線，造成較大的經濟損失或社會影響，項目規劃或施工前，必須對影響范圍內的地下管線進行詳細探測，確定地下管線的平面位置及埋深。目前對于埋深小于5m的淺埋管線探測手段已經比較成熟，但對于深埋的非開挖管線探測仍然存在較大難度，尤其是非金屬材質管線或存在環境干擾、管孔穿滿線的情況下，如何采用物探方法解決這些疑難問題是工程物探今后研究的重點。

1 地下非開挖管線探測難點

（1）非開挖管線的材質主要分為金屬類和非金屬類。金屬類管線主要包括鋼管、鑄鐵管及金屬芯線纜等；非金屬類管線主要包括PE管、PVC管、MPP管、玻璃鋼夾砂管、混凝土管等。其中非金屬材質的管線給以電磁法探測為主的地下管線探測增加了較大難度。

（2）非開挖管線截面尺寸較小、埋深較大。盡管地層與非開挖管線之間存在一定的物性差異，但被探測對象的幾何尺寸與其埋藏深度之比遠小于1/10，其引起的異常場難以從背景場或干擾場中分辨出來。

（3）城區地下管線探測環境干擾因素復雜。探測技術人員很難判斷所有的干擾場對地下管線探測造成的影響程度，尤其是來自地上或地下的未知干擾磁場與擬探測管線引起的異常場迭加時，難以分離出有用的異常場并做出正確判斷與解釋。

（4）非開挖通信類、電力管線的管孔穿滿線或堵塞時，導向儀、慣性陀螺儀測試單元無法穿入管孔進行探測。

（5）探測方法本身的局限性及物探儀器設備研究開發的滯后性。對于周邊環境復雜、埋深大、截面小、非金屬材質的管線探測存在較大難度，有時無能為力。

2 物探方法的選擇

上海虹橋污水處理廠進廠管道工程的管徑為Φ1200mm，埋深4.43～12.51m，線路長9.852km，采用頂管技術敷設。某公司為該項目的監測單位，監測布點時發現擬排污水管道線路與已排電力非開挖管線存在多處沖突，為避免施工損壞重大管線，造成安全事故，建議業主委托物探單位對沿線已敷設好的電力非開挖管線進行排查和精確探測。受業主委托某公司承擔了該項目的探測任務，為了確保探測工作不遺漏管線，且探測精度滿足頂管施工的需要，探測前期做了如下工作：（1）資料收集。走訪管線權屬單位，收集電力非開挖管線的數量、孔數、位置及拖拉次數等。（2）現場踏勘。核實收集的資料，察看測區內建構筑物、交通、水系（河流、池塘等）和地下管線的分布情況、地球物理條件及各種可能的干擾因素。（3）權屬單位現場交底和確認。與電力管線權屬單位溝通了解到部分電力非開挖管線是供虹橋機場用電的重要管線，并請電力管線權屬單位到現場進行詳細的交底、確認。

經資料收集、現場踏勘、權屬單位現場交底和確認，得知測區內分布有10處電力非開挖管線。其中有6處（14～19孔）可能為二次拖拉施工，且有9處穿越河道，河道寬16～57m，有2處穿越高架橋（含1處穿越河道）；有2處與擬排污水管道正交，有8處與擬排污水管道距離較近或小角度斜角。探測區域周邊分布有高架橋梁、河道橋梁、防汛墻、道路鐵欄桿，還有來往車輛及地下錯綜復雜的淺埋管線等都對非開挖管線探測造成干擾，干擾因素多而雜。而要求探測數量不少于非開挖管線總孔數的70%，對每處管線全長進行探測（包括河道中間）。在這樣的環境、場地條件下進行精確探測具有較大的挑戰性，該公司針對地下非開挖管線探測的難點，并結合收集的資料、任務要求、環境條件及物探方法的適用性等，通過試驗的方法合理地選擇了有效的物探方法。首先采用導向儀法，該方法探測精度相對較高，操作簡單，適合非開挖管線普測，通過普測確定每處非開挖電力管線的拖拉次數；在普測的基礎上，對于完全貫通的空管再采用慣性陀螺儀法進行精確探測，由于該方法精度高且不受場地（河道及建構筑物）條件限制，凡是具備探測條件的管線均采用慣性陀螺儀法進行探測，盡量保證不同拖拉頻次施工的管線都能探測到一孔；對于前兩種方法無法精確定位的管線，最后采用井中磁梯度法對其進行精確探測。此次選用了適用性不同的三種物探方法進行探測，互相補充、互相驗證，不僅探測效率高，而且能確保探測成果可靠，滿足工程需求。

3 地下非開挖管線探測方法簡介

3.1 導向儀法探測原理

導向儀法屬于有源電磁法，該方法是由美國Digital Control Incorporated公司生產的DigiTrak Eclipse（SE、F1、F2、F5）地下導向定位系統，主要由接收機、固定頻率（12kHz）的傳感器、顯示屏及穿纜器組成。該探測應先選擇合適位置對傳感器進行單點校準（校準距離3.0m），校準后進行定位檢查，檢查距離應不小于預估管線的最大埋深，當檢核距離與設定距離之差符合要求時方可進行現場施測。探測前要對測區內的干擾源進行檢查，當探測場地內干擾信號響應大于150時，采用發射信號強的傳感器或抬高接收機的高度，以便克服或分離干擾信號；若所采取的措施無效，說明該方法不適合場地條件，探測結果不可靠。

探測前應對傳感器的定位檢查做好記錄，必要時繪制校核曲線并對探測結果進行數據校正，如圖1所示。一般現場檢核值比理論值小，需進行加計算。

圖1 導向儀檢核曲線

探測時先將傳感器固定在玻璃鋼穿纜器的端部，然后推入擬探測的電力非開挖管線預埋孔內，在地面用接收機追蹤傳感器所發射固定頻率的電磁波信號，從而獲得地下電力非開挖管線的軌跡。

3.2 慣性陀螺儀法測量原理

利用慣性陀螺儀法進行管線定位主要是把載有航向和姿態傳感器的管內測量單元放入管道內并使之沿管道勻速運動，從而測出管道各個位置的航向和俯仰角，如圖2所示。將航向、姿態信息與里程信息結合從而推算出管道的三維坐標。

圖2 慣性陀螺儀定位原理圖

測量單元內的陀螺儀和加速度計組件分別測量定位儀內相對慣性空間的3個旋轉角速度和3個線加速度沿定位儀坐標系的分量，經過坐標轉換，把加速度信息轉化為沿導航坐標系的加速度。并計算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態。該方法標稱水平精度±0.25%L，垂直精度0.10%L，其中L為管線長度。定位精度不隨深度加大而加大，與管道材質、周圍電磁場干擾無關；定位精度與管線長度、管道內壁光潔度、拖曳速度及孔口三維坐標測量等因素有關。

3.3 井中磁測法原理

自然界中各種物體均受地磁場的磁化作用，在其周圍空間產生磁場，由于鐵磁性物體本身的磁化率較高，它受到地磁場磁化作用后所產生的磁場要比地層等其他物體產生的磁場強得多，這種磁化磁場與正常地磁場之間的差值稱之為磁異常。通過采用專用井中磁測儀測量、記錄測區磁場的分布特征，通過對測得的磁異常進行處理、分析，從而推斷出地下含磁性物質管線的空間位置。具體工作就是在擬探測管線的一側鉆沖孔，用PVC管護壁，采用井中磁測儀從孔底往上或從孔口往下按等間隔（≤0.2m）采集每個深度的磁場值，每孔測2次。通過對采集的數據進行處理、分析，從而確定地下管線的埋深及位置。該方法定深精度較高，能滿足相關規范及工程需求。

4 工程應用

4.1 污水頂管井74#-75#區間段探測

15孔Ф180MPP電力非開挖管線在S20外環高速公路東側橫穿北翟路高架橋，其中有6處電力非開挖管線距高架橋墩臺較近，最近距離小于2m，周邊環境干擾較大；另外該電力15孔非開挖管線有14孔穿有電纜，有1孔穿有7根彩色管。為防止因管道敷設時采用多次導向拖拉施工而造成漏探，選擇了13個穿有較細電纜的孔位采用導向儀法進行探測。

原設計74#污水井（圍護結構外徑10m）中心與電力非開挖管線之間最小距離只有2m，擬排74#-75#污水井區間頂管直徑Φ1200mm，內底標高-2.6m，與電力非開挖管線小角度斜交。

針對周邊復雜的環境條件，探測前對測區內的干擾源進行詳細檢查，發現北翟路地面道路路以南2.5～24.8m干擾較大，干擾信號響應已經大于150，采用發射信號強的傳感器或抬高接收機探測，探測效果無明顯改善；此后換不同型號的導向儀及傳感器進行復探，前后探測結果基本一致，均向高架橋方向明顯偏移。根據南北側干擾小的區域探測管線走向的趨勢及工作經驗，推斷該電力非開挖管線為近直線敷設。由于采用導向儀初步探測的非開挖管線位置與設計的74#污水井位沖突及頂管區間埋深沖突，需要根據探測結果做修改變更，因此采用井中磁測法對其進行了精確探測，在導向儀探測干擾大的區段共布設3個測孔，將Ф18mm的強磁棒推到磁測孔位置進行探測，探測的磁異常特征明顯，推斷該處電力非開挖管線頂標高為-6.12m，其平面位置與前期推斷的電力非開挖管線位置一致，將導向儀探測結果與井中磁測探測結果進行比較，得知管線平面位置往高架橋墩臺方向最大偏移量達3.0m，埋深偏移量小于1.0m。可以看出產生偏移量的大小與橋墩下部樁基數量、兩者間距離及周邊干擾等因素有直接關系，當干擾信號小于有效信號2倍以上時，對探測結果影響相對較小。因此采用導向儀探測前必須對周邊環境進行干擾調查，探測過程中必須詳細記錄周邊場地、環境條件干擾情況，探測后還應結合環境干擾因素及竣工資料對探測管線的軌跡合理性進行分析判斷，復雜情況下建議采用綜合物探方法或觸探法進行驗證，如圖3所示。

圖3 74#-75#區間電力非開挖管道探測成果圖

4.2 污水頂管井24#-25#區間段探測

15孔Ф180MPP電力非開挖管線在天山西路南側橫穿北橫瀝港，河道寬56m，距北橫瀝港橋墩最近距離3.6m。15孔電力非開挖管線中有9孔穿有電纜，還有6孔為空管，其與擬排污水管道位置近似平行，河道內間距小于0.8m。

為防止因管道敷設時采用多次導向拖拉施工而造成漏探，采用導向儀法和慣性陀螺儀法總共探測11孔，其中陀螺儀法探測6孔，導向儀法探測5孔。北橫瀝港水面上使用充氣橡膠船輔助定點探測，探測點距約5m，采用GNSS網絡RTK測量。同時，采用導向儀探測前對測區內的干擾情況進行了詳細檢查，干擾信號響應小于50時，適合采用導向儀探測。導向儀探測過程中，為了減小水上探測的定位誤差，先在前后定位點處做好標識，當前后定位點與探測定位點在一條直線時，將充氣橡膠船固定平穩后讀取深度并測量坐標及高程。

經過數據處理及導向儀探測深度修正后，將探測得到的11條電力非開挖管線的軌跡繪制成三維曲線，然后擬合其包絡線，擬合包絡線橫截面直徑為1.35m，與理想狀態偏差0.24m（如圖4所示），因此探測誤差可按0.48m計。此次探測的11孔電力非開挖管線平面位置及埋深無一點落到包絡線外面，重復探測結果中的誤差滿足規范要求，證明探測成果準確性高。

此次采用綜合物探方法探明了10處電力非開挖管線的平面位置及埋深，其中有5處與擬排污水管道埋深或井位有沖突，通過設計修改變更，避免了污水頂管施工損壞電力非開挖管線所帶來的重大工程事故和經濟損失，目前敷設的污水管道已經順利竣工。

5 結束語

圖4 包絡線橫截面

（1）實踐證明導向儀法、慣性陀螺儀法、井中磁梯度法對電力非開挖管線精準探測是有效的，因不同探測方法的適用范圍不同，擇優選用有效的物探方法可以達到事半功倍的效果。（2）大截面的電力非開挖管線（大于7孔Ф200mm）可能為多次拖拉施工，應采用導向儀在一側多孔探測判定拖拉次數，然后選擇部分孔進行全長探測，可以提高工作效率，適當增加探測孔數可以提高探測結果的可靠性。（3）采用導向儀探測非開挖管線前必須進行校準、定位檢查及環境干擾情況測試，并做好記錄，必要時對探測結果進行深度校正。探測后應結合環境干擾因素及竣工資料對探測管線的軌跡合理性進行分析判斷，復雜情況下建議采用綜合物探方法或觸探法驗證。（4）對于未穿電纜的電力非開挖管線應首選慣性陀螺儀法探測，探測的管孔必須貫通、清潔，且能將測試單元從孔的一端勻速拉到另一端，然后再從該端連續勻速拉回，一旦中間停頓或卡孔，則探測結果無效。（5）采用井中磁測法精確探測電力非開挖管線時，探測前應判定電力非開挖管線周圍是否有磁場，因大部分電力非開挖管線設計為完全屏蔽型，其周圍并未分布有可探測到的磁場，因此探測時應將強磁棒推到擬探測孔的相應部位進行探測。