綜合探測(cè)方法在頂管定位中的應(yīng)用

李育強(qiáng)，潘喜峰，朱能發(fā)

(天津市勘察院，天津 300191)

1 引 言

頂管法作為城市管道施工非開(kāi)挖施工常用手段之一，頂管多為始發(fā)基坑至接受基坑垂直頂進(jìn)，因此為保證躲避其他淺埋管線等障礙物頂管深度較大。頂管施工多用于穿越河流、鐵路和高速公路等障礙物，穿越地表不留痕跡，且燃?xì)狻㈦娏Φ缺Ｗo(hù)管頂管管徑大于實(shí)際使用管道，無(wú)法通過(guò)激發(fā)陰極保護(hù)樁、閥門(mén)井等常規(guī)電磁法探測(cè)對(duì)頂管部分加載信號(hào)。探測(cè)人員往往通過(guò)搜集施工資料、竣工圖來(lái)判斷大致位置。如果后期存在同路徑的其他頂管施工或者地鐵盾構(gòu)施工則需要更加精確的位置及埋深。本文采用地震映像法確定目標(biāo)管線大致區(qū)域，再利用磁梯度法精確探測(cè)頂管管道位置及埋深，兩種方法結(jié)合快速高效探測(cè)。

2 地震映像法理論

高密度地震映像法激發(fā)和接收器之間是等距的，尋找最佳偏移距是形成清晰圖像的關(guān)鍵因素。該方法多用于探測(cè)具有一定截面大小的管道或井室等探測(cè)。探測(cè)時(shí)炮間距選擇應(yīng)考慮到目標(biāo)體埋深，多次改變炮間距及穩(wěn)定激發(fā)能量大小是成果獲取圖像的關(guān)鍵。多為斷面圖的成圖效果，因此測(cè)線也應(yīng)垂直于目標(biāo)體，形成截面圖像。其工作原理如圖1所示。

圖1 地震映像工作原理示意圖

地震映像前提是地下介質(zhì)密度、速度、泊松比等彈性特征參數(shù)具有差異。波在傳播中，如遇到巖體介質(zhì)波阻抗Z(Z=ρVc)發(fā)生變化的界面時(shí)，入射的彈性波就在這個(gè)界面上產(chǎn)生透射和反射，即一部分彈性波透過(guò)界面繼續(xù)往前方傳播即透射波，而另一部分彈性波則從界面上反射回來(lái)即反射波。檢波器采集反射波的能量和時(shí)間繪制地震映像剖面圖(圖2)。

圖2 地震映像法模型及簡(jiǎn)化波形圖

3 磁梯度法理論

磁梯度法是將要探查的鐵磁管道等效為一個(gè)在其周?chē)鷧^(qū)域分布強(qiáng)感應(yīng)磁場(chǎng)的無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱。通過(guò)觀測(cè)垂直分量Za的梯度值的數(shù)值大小，可以判斷目標(biāo)管道的平面位置和埋深，如圖3所示。

孔中磁梯度探測(cè)技術(shù)是通過(guò)勘測(cè)地磁異常來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性管道定位。通過(guò)不斷打孔來(lái)逐步逼近目標(biāo)體位置。該方法多用于解決埋深較大的鐵磁性金屬管道或鋼筋混凝土管道的定位問(wèn)題。

圖3 孔中磁梯度外業(yè)探測(cè)示意圖

磁梯度法就是將所要探測(cè)的鐵磁性管線等效為無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體，在其周?chē)鷧^(qū)域分布有較強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)，利用磁梯度探頭在豎直鉆孔中觀測(cè)其磁異常的變化，探頭包含上下兩個(gè)線圈可以觀測(cè)垂直分量Za求差值來(lái)近似表示Za梯度值，根據(jù)場(chǎng)值的分布情況來(lái)判定磁異常物的平面位置及埋深。Za及其梯度值的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：R為無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體的埋深，i為有效磁傾角，Ms=Js*S為截面磁矩，Js為有效磁化強(qiáng)度。

4 案例分析

建設(shè)單位擬在梅江西路局部自北向南進(jìn)行排水頂管施工，經(jīng)調(diào)查得知存在一條與頂管路徑垂直交叉的 35 kV電力頂管。確保頂管安全施工，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比本次探測(cè)工作采用了地震映像法和孔中磁梯度法進(jìn)行探測(cè)。

4.1 測(cè)區(qū)分析

工區(qū)位于梅江西路與綏江道交口處，地形平緩，場(chǎng)地較開(kāi)闊，地形平緩，場(chǎng)地相對(duì)較開(kāi)闊，交通極為便利。原電力頂管施工年代久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)圖紙地形變化較大，現(xiàn)場(chǎng)踏勘對(duì)比地形圖地物特征無(wú)法判斷頂管位置。

圖4 梅江西路現(xiàn)場(chǎng)照片及電力頂管設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)圖中反映該電力頂管穿越道路、綠地和鐵路(圖4)。頂管為φ1550直徑鋼筋混凝土管道。結(jié)合已有巖土工程勘察資料可知，區(qū)內(nèi)素填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土無(wú)磁性；而鋼筋混凝土管線屬鐵磁性物質(zhì)較強(qiáng)的磁化率，相較于周?chē)临|(zhì)存在著明顯的磁性差異，從而為開(kāi)展地震映像法和孔中磁梯度法查明該頂管管道提供了必要的地球物理前提條件。

本次工程投入主要儀器為國(guó)產(chǎn)SWS-6型工程地震儀，該儀器的高密度地震映像法可以獲取信噪比較高的淺層面波圖像。采用國(guó)產(chǎn)CCT-4磁梯度儀來(lái)捕獲管道周?chē)盘荻葓?chǎng)值。兩種儀器結(jié)合使用，地震映像法線快速掃描，在疑似地方磁梯度法鉆孔探測(cè)排查獲取準(zhǔn)確管線位置及埋深。

4.2 測(cè)線布置

依據(jù)電力設(shè)計(jì)資料圖紙對(duì)應(yīng)頂管位置位于現(xiàn)狀道路路口南側(cè)(圖5)，這一位置與電力運(yùn)維部門(mén)技術(shù)人員口述不一致，因此在兩處疑似位置都進(jìn)行地震映像測(cè)量和磁梯度探測(cè)。

(1)地震映像法：布設(shè)南北走向2條斷面，AB長(zhǎng)度 20 m，CD長(zhǎng)度 43 m。

(2)磁梯度探測(cè)法：地震映像圖像疑似區(qū)域處布設(shè)16個(gè)鉆孔。

圖5 地震映像探測(cè)測(cè)線、鉆孔空位布置圖

4.3 地震映像法探測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)斷面A-B分析：

炮間距6 m，點(diǎn)距0.2 m。共計(jì)100道數(shù)據(jù)，斷面長(zhǎng)度 20 m。通過(guò)觀察斷面圖可知，18～28道 50 ms處存在高能量反射區(qū)域，但其下部 75 ms處有平行連續(xù)高能量反射層，地震波不可能穿過(guò)鋼筋混凝土管道沒(méi)有衰減，這區(qū)域判斷不是管道；59～67道 55 ms和78～87道 50 ms處存在高能量反射區(qū)域(箭頭指示位置)，疑似目標(biāo)管道位置，周邊波紋不明顯，此處是否為目標(biāo)管道還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

(2)斷面C-D分析：

炮間距6 m，點(diǎn)距0.25 m。共計(jì)172道數(shù)據(jù)，斷面長(zhǎng)度 43 m。通過(guò)觀察斷面圖可知(圖6、圖7)，79～85道 37 ms處存在波的象限變化現(xiàn)場(chǎng)(箭頭指示位置)，且兩側(cè)振幅幅值相等處呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)(淺綠色雙曲線弧)疑似目標(biāo)管道位置。此處是否為目標(biāo)管道還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6 地震映像A-B斷面圖

4.4 磁梯度法探測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)16個(gè)測(cè)孔的數(shù)據(jù)分析，繪制了2個(gè)斷面的磁梯度測(cè)孔曲線，并結(jié)合理論模型研究和以往工作經(jīng)驗(yàn)確定了管線的位置及標(biāo)高，具體分析如下：

1號(hào)斷面：

探測(cè)12～16號(hào)孔。對(duì)幾個(gè)孔的測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理，繪制了1號(hào)斷面曲線，如圖8所示。

可以看出孔12～16號(hào)孔均在高程0.5(埋深 2.3 m)以上均存在較明顯的磁異常，根據(jù)這些鉆孔曲線形態(tài)，推測(cè)其為淺部雜填物的反映。

圖8 磁梯度法1號(hào)斷面曲線

2號(hào)斷面：

如圖9所示，可以看出在2號(hào)斷面6～11號(hào)孔均存在處存在磁異常，且8、9號(hào)孔遇到不明障礙物，7、10號(hào)孔均呈現(xiàn)完整的“S”型磁異常，兩側(cè)6、11號(hào)孔磁異常逐漸減弱。6、7號(hào)孔負(fù)值大正值小，判斷鉆孔位于管道南側(cè)；10、11號(hào)孔負(fù)值小正值大，判斷鉆孔位于管道北側(cè)。利用軟件計(jì)算正演擬合曲線6、8、9、11四條

圖9 磁梯度法2號(hào)斷面磁測(cè)曲線

曲線幅值和正負(fù)值大小關(guān)系都與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合(圖10)。綜上所述推測(cè)為此處為鋼筋混凝土管線的反映，管線中心高程為-2.08。

圖10 磁梯度正演曲線圖

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目是綜合利用物探方法尋找電力頂管管道的典型案例。地震映像法的快速便捷與磁梯度法的準(zhǔn)確性?xún)煞N物探方法的有效結(jié)合。在充分搜集資料的基礎(chǔ)上，先利用地震映像法進(jìn)行初步判斷，斷面圖確定疑似目標(biāo)管線靶區(qū)；再利用磁梯度法對(duì)疑似區(qū)域鉆孔探測(cè)，根據(jù)管道天然磁場(chǎng)的分布規(guī)律，成功判斷出管道精確位置及埋深。本次探測(cè)數(shù)據(jù)得到了甲方及設(shè)計(jì)單位認(rèn)可，為后期排水管道頂管設(shè)計(jì)、施工提供有利的數(shù)據(jù)保障。