管線探測儀和靜力觸探儀相結(jié)合的探測方法與應(yīng)用

佘繼紅孫?，撽憘トA薛豐昌

（1.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京210000;2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044）

0 引 言

得益于非開挖技術(shù)，管道在穿越施工時，如穿越道路、河渠、交叉管道等，越來越多地使用水平定向鉆或頂管等非開挖工藝。采用此類工藝敷設(shè)的管道通常埋深較深，一般為3～20 m，過江管道埋深更可達30 m，同時，管道線路不一定是直線，也可能為平面曲線。常規(guī)地下管線探測儀器采用電磁感應(yīng)法對淺埋金屬管道探測比較準(zhǔn)確，但對超深金屬管道探測誤差很大，一般平面探測誤差達埋深的20%—30%，深度探測誤差比平面位置探測誤差更大[1]，且管線儀對非金屬管道無法定位。近年來，各地陸續(xù)有地下管線受損事故發(fā)生，造成了巨大經(jīng)濟損失，產(chǎn)生了較惡劣的社會影響。發(fā)生的大部分事故主要是由非開挖管道竣工資料不準(zhǔn)確和探測結(jié)果誤差較大造成的。因此，將管道探測的多種方法相結(jié)合，綜合比對，才能對深埋管道的平面位置及埋深作精確定位，切實保障地下管道設(shè)施運營安全。

1 深埋管線探測方法對比

常見的深埋管線探測方法有管線儀探測、地質(zhì)雷達、人工地震波法、磁梯度法、孔中雷達法、管線導(dǎo)向儀、慣性陀螺儀定位等綜合探測方法。除去以上儀器探測，還有一些重要的探測手段容易被人忽視，如現(xiàn)場踏勘調(diào)查、釬探、靜力觸探等，其中踏勘調(diào)查是工作的前期手段（表1）。

1.1 管線儀探測

管線儀解決金屬管道或有金屬導(dǎo)線的管道，探測其平面位置、埋深等屬性。受干擾小，探測效率和精確度較高。采用充電、點測等方法可以大幅提高深埋管線的探測精度[2-3]。

1.2 地質(zhì)雷達

依據(jù)電磁雷達影像的原理，可解決金屬與非金屬的管線。不同雷達天線發(fā)射的不同頻率對不同材質(zhì)、管徑、埋深的管線有不同探測效果。對埋深淺、管徑大的管道效果較好，對埋設(shè)深、管徑小的效果較差。地質(zhì)雷達探測平面精度較好，埋深一般。

1.3 人工地震波法（含瑞雷波法、地震映像法）

可解決管徑大、埋設(shè)深的管線，探測深度和平面位置有一定誤差。其成本代價較高，適宜解決疑難管線。

（1）瑞雷波法:利用地下管道與其周圍介質(zhì)之間的面波波速差異，測量不同頻率激震所引起的面波波速?？商綔y埋設(shè)較深且直徑較大的金屬或非金屬管道。

（2）地震映像法:是基于反射波法中最佳偏移距技術(shù)的一種常用淺層地震方法。采集到的地震記錄經(jīng)計算機在時間域和頻率域上進行處理后，可推斷地下地層、地下管線結(jié)構(gòu)信息[4]。

1.4 磁梯度法

一般非開挖工藝敷設(shè)的地下管線屬于強鐵磁性物質(zhì)，在其周圍區(qū)域分布有較強的磁場。作業(yè)時，根據(jù)其他探測方法定位出的地下管線一側(cè)鉆孔，成孔后將塑料管下至孔中，再將磁梯度儀的探頭放到塑料管內(nèi)，從孔底部開始以0.2 m的間隔依次向上測量各點的磁梯度值。根據(jù)磁梯度值變化可以準(zhǔn)確確定地下管線埋深[5-6]。

1.5 孔中雷達法

該技術(shù)是一種井中地球物理方法，采用超高頻雷達技術(shù)（頻率逾500 MHz），分辨率高，可向地層發(fā)射高頻電磁波，利用電磁波在地層中的傳播特性獲取地層信息，從而解釋地下構(gòu)造，具有較高分辨率和較大探測范圍。鉆孔地質(zhì)雷達主要有2種工作模式:① 單孔反射模式;② 跨孔層析成像模式?？字欣走_可實現(xiàn)井（孔）下20 m內(nèi)的360°全方位掃描，掃描深度可達3 m，分辨率小于10 cm，可用于地下（管線）設(shè)施檢測[7-8]。

1.6 管線導(dǎo)向儀

在非開挖施工中，管線導(dǎo)向儀可提供鉆頭實時工況（深度、傾角以及鐘點方向等），可以讓地面操作人員實時掌握并修正鉆孔軌跡，保證按既定路線軌跡精確定向。管線導(dǎo)向儀工作原理是:將帶場源的探頭（磁偶極子）置于所需探測的非金屬管道內(nèi)，在周圍空間產(chǎn)生一次交變磁場，由地面接收機接收探頭產(chǎn)生的磁場水平分量，根據(jù)磁場分布規(guī)律確定探頭位置，從而得到管線位置關(guān)系。因而，針對可穿線管道，根據(jù)這一原理可確定管線埋深和位置。

1.7 慣性陀螺儀定位

慣性陀螺儀是一種三軸陀螺儀與加速傳感器（部分有角度傳感器）的組合裝置。通過其運動的初始位置、速度、航向、姿態(tài)等，可計算其精確的運動軌跡。根據(jù)這一原理，慣性陀螺儀定位法用于可穿越管道的定位，其優(yōu)點是探測不受地形、深度、電磁干擾等限制，定位精度高，適合任意材質(zhì)的管道;缺點是無法探測運行管，成本較大，穿越管道較繁瑣。

1.8 釬探法

釬探是在以上方法綜合的情況下對目標(biāo)物直接觸探的方法。探測成果較為準(zhǔn)確。釬探時需注意操作方式，防止破壞管道而造成危險。同時，釬探具有一定局限性，具體表現(xiàn)為對埋管土質(zhì)環(huán)境、探測深度有一定限制。

1.9 靜力觸探法

靜力觸探是指利用壓力裝置將有觸探頭的觸探桿壓入試驗土層，通過量測系統(tǒng)測土的貫入阻力，確定土的某些基本物理力學(xué)特性，如土的變形模量、土的容許承載力等的方法。靜力觸探加壓方式有機械式、液壓式和人力式3種。靜力觸探探管的方式跟釬探方法類似，但探測深度較大，儀器判斷能力較強。

表1 深埋管線探測方法對比

綜合以上方法分析，大深度管線普查工作中最實用和常用的方法是管線儀探測、地質(zhì)雷達、釬探，其他因為施工方式繁瑣或成本代價太高，主要用于針對性解決疑難問題和工程搶險工作。

2 管線探測儀與靜力觸探儀相結(jié)合的探測方法設(shè)計

分析對比上述工作方式，在深埋管道非開挖探測的項目中，選用管線儀探測和靜力觸探儀精確驗證相結(jié)合的方式可解決大深度管道精確定位的問題。

2.1 儀器選用

儀器選用某型號大功率管線儀和某型號靜力觸探儀。

2.2 工作流程

該方法的工作流程（圖1）為:首先用大功率管線儀掃面，初步確定管道的走向和大致范圍;再用不同頻率和探測方式縮小管道平面位置和深度范圍[10]，以便確定觸探驗證的工作區(qū)，減少觸探工作量;最后根據(jù)管線儀探測成果布置觸探測線。

圖1 工作流程

2.3 測線布置

以管線走向為中心，布置垂直和平行與管道走向的網(wǎng)狀測線，間距為管徑的1/3（圖2）。

圖2 測線布置示意圖（紅色為管線大致走向位置）

2.4 觸探工作方式

觸探路徑垂直于管線走向，觸探點距為目標(biāo)管徑的1/3，如DN600管徑的目標(biāo)物，選用200 mm的觸探點距。

當(dāng)觸探到管道后，記錄觸探深度，再在距離該觸探點1 m以外的管線路徑上做另一條觸探測線，至少成功測出3個管道觸探點，確認(rèn)驗證管道的平面位置和精確埋深。

3 管線探測儀與靜力觸探儀的工程應(yīng)用

華東某地因大管道頂管建設(shè)需要，須對路徑穿越的燃?xì)夤艿雷鼍_定位勘測，精度要求較高。該地位于長江三角洲，為沖積平原，測區(qū)多為低洼圩區(qū)，水位較淺、管道埋深較深，且開挖難度較大。因此，需要用非開挖探測手段精確定位管道位置。

經(jīng)過踏勘和多種方法實驗比較，常規(guī)物探方法如雷達、磁法、高密度等僅能確定燃?xì)夤艿来笾路秶?，無法精確確定平面位置和埋深。而綜合物探方法與靜力觸探相結(jié)合方式可以有效解決精確要求問題。因此，該工程最終采用以管線儀和靜力觸探儀為主，其他物探方法為輔的綜合探測方式。

3.1 探測目的

精確定位燃?xì)夤艿榔矫嫖恢煤蜕疃?，埋深精度?.2 m。

3.2 測區(qū)地球物理特征

測區(qū)位于綠化草坪地，地表無障礙物干擾，探測條件較好，但管線埋深較深，且測區(qū)內(nèi)有3根平行穿越的燃?xì)夤芫€，管線間的間距約為10 m，管線間間有一定電磁干擾。

3.3 工作方法

在踏勘、管線儀及其他綜合物探（雷達、磁法）基礎(chǔ)上，確認(rèn)管線走向和大概平面位置范圍。根據(jù)初步成果，布置觸探測網(wǎng)（圖3）。

圖3 測網(wǎng)示意圖

3.4 數(shù)據(jù)成果

通過觸探頭的貫入受力采集地層力學(xué)數(shù)據(jù)（圖4-5）。圖4中受力曲線在85 cm處突然變大，是由于遭遇硬化土層受力導(dǎo)致的，該過程會穿透硬土層，之后受力變小;但圖5中，在76 cm處受力一直增加，無法穿透。經(jīng)過對比，可以排除地層受力變化干擾，判斷此處疑為管道。

圖4 地層受壓示意圖

圖5 管道受壓示意圖

在疑似觸探到管道兩側(cè)繼續(xù)作業(yè)，如兩側(cè)在疑似管道深度上沒有該力變化（圖6），則可認(rèn)定該處為管道。

圖6 受力示意圖

將同一路徑上的觸探點連接成線，得到目標(biāo)管線的平面位置和精確埋深。

3.5 各方法深度成果對比

根據(jù)工程需要，采用不同方法進行作業(yè)，根據(jù)不同方法深度成果的對比（表2）不難發(fā)現(xiàn)，靜力觸探在適用性和精度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他各種方法。

4 結(jié) 語

通過各種方法對比以及工程實例應(yīng)用，可以看出，靜力觸探在管線探測中的應(yīng)用優(yōu)勢，但因其自身工作方式限制，造成了一定應(yīng)用范圍的局限，其優(yōu)缺點如下。

表2 各方法深度成果對比表

（1）優(yōu)點:探測目標(biāo)物以大管徑的金屬管道或砼管為佳，對解決埋深較深、不易開挖的目標(biāo)管線有較好可靠性和精確性，效率較高。

（2）缺點:對非金屬管道（如PE管）存在一定損壞管道風(fēng)險，對小管徑、大埋深以及難以確定平面位置的管線，觸探難度較大、效率較低。

雖有一定應(yīng)用限制，但綜合物探結(jié)合靜力觸探方法在管線探測領(lǐng)域有望開創(chuàng)一種新的勘測方法，從而解決目前工程施工管線中遇到的大深度、非開挖管道問題，其應(yīng)用的前景和經(jīng)濟效益巨大。