基于跨孔超聲波的地下管線埋深精確探測(cè)

張秉政,樓國長,沈曉武,陳春飛>

(浙江省工程勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315012)

1 引 言

地下管線是城市建設(shè)與發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市發(fā)展的“生命線”。由于很多管線鋪設(shè)資料檔案的丟失，地下管線分布不清，城市發(fā)展與建設(shè)速度加快，越來越多的城建規(guī)劃部門開展地下管線的探測(cè)與排查工作。管線探測(cè)從實(shí)質(zhì)上來說是對(duì)管線做精確的定位與定深[1]，其物理基礎(chǔ)是管線與周圍介質(zhì)的物性差異。目前工程上采用的方法主要有電磁感應(yīng)、地質(zhì)雷達(dá)、地震映像、高密度電法、磁梯度等[2]，其中又以電磁感應(yīng)法最為普遍[3]。

目前，隨著非開挖敷設(shè)管線技術(shù)的應(yīng)用和對(duì)地下空間開發(fā)利用的需求，地下管線愈埋愈深進(jìn)而要求探測(cè)精度愈來愈高，這就給管線探測(cè)提出了更高的要求[4-9]。在當(dāng)前的很多城市工程施工中，如在原有管線位置進(jìn)行二次非開挖敷設(shè)或通過地鐵盾構(gòu)，都需要獲取原有管線的精確埋深，有些工程甚至要求精度在10 cm以內(nèi)。

一般而言，在地表進(jìn)行的各類物探方法，能基本確定管線的水平位置，但獲取的埋深誤差較大，且誤差隨著埋深的增加而增大。如電磁感應(yīng)法中的直讀法、45°法和70%法都存在易受干擾、深埋誤差大的缺陷，探地雷達(dá)法[10]與地震映像法[11]都需要預(yù)設(shè)土層波速來判斷深度。這些在地表觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法雖然簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但都無法精確地確定地下管線的埋深。目前在工程實(shí)踐中，當(dāng)工程需要管線埋深的精確資料時(shí)，常用方法為探摸法。該方法采用鉆機(jī)在管線上方直接開鉆，通過鉆探深度確定管線埋深。顯然，該方法易破壞管線，存在較大的工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于管線的圓形形態(tài)，也會(huì)存在最大達(dá)二分之一管徑的誤差。井中磁梯度法也可應(yīng)用于解決該問題[12，13]，但僅局限于探測(cè)金屬管線，同時(shí)要求鉆孔非?？拷繕?biāo)管線，因此其應(yīng)用并不廣泛。

為了解決地下管線埋深的精確探測(cè)問題，本文提出一種采用跨孔超聲波的新的方法技術(shù)。超聲波法在巖土工程領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如用于室內(nèi)巖體波速測(cè)試[14]、工程勘察中原位波速測(cè)試以及樁基檢測(cè)等[15-17]，其具有準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文將超聲波法應(yīng)用于地下管線探測(cè)，以解決管線埋深的精確探測(cè)問題。其主要原理是在相鄰鉆孔的同一水平深度上，發(fā)射并接收脈沖超聲波，通過走時(shí)、頻譜及波形等參數(shù)來分析通過介質(zhì)的物性特點(diǎn)，以此確定管線的埋深。本文對(duì)含管線地層進(jìn)行了超聲波數(shù)值模擬，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法準(zhǔn)確、可靠。該方法對(duì)管線探測(cè)與排查、以及城市建設(shè)施工具有重要的工程意義與價(jià)值。

2 方法原理

地下管線實(shí)際上是一種“人造異常體”，因此從探測(cè)的角度來看，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①埋深不會(huì)很大，一般在幾米至十幾米之間，個(gè)別會(huì)達(dá)到幾十米[3]，且一般位于土層之中；②對(duì)管線的大概位置與可能走向有一定的預(yù)判；③管線的用途以及施工工藝、材料一般已知，即使未知也種類有限，基本可以判斷；④大部分的管線都是圓形截面。管線這些“人造異常體”的特點(diǎn)使得管線探測(cè)有別于一般的物探工作，實(shí)質(zhì)上是提供了一系列的先決條件，充分利用這些先決條件，結(jié)合傳統(tǒng)物探的理論與技術(shù)，發(fā)展一種準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)、普遍適用的方法，對(duì)城市工程建設(shè)十分有必要。

根據(jù)管線的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的主要思路是：通過資料調(diào)查或傳統(tǒng)方法大致確定目標(biāo)管線的位置和走向后，在目標(biāo)管線兩側(cè)用鉆機(jī)開孔，在兩孔同一深度處，一側(cè)發(fā)射超聲波另一側(cè)接收，通過分析跨孔超聲波的初至?xí)r間、波形特點(diǎn)等參數(shù)，推斷目標(biāo)管線的精確埋深。整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括主機(jī)、滾軸計(jì)數(shù)器、超聲波探頭及標(biāo)有刻度的連接線等。探測(cè)過程中，先在目標(biāo)管線兩側(cè)一定安全距離外開孔，孔中放入PVC管，管內(nèi)注滿清水。之后將發(fā)射與接收探頭置于管中同一深度，其連接線經(jīng)滾軸計(jì)數(shù)器與主機(jī)相連，直接采用人工拉線使收發(fā)探頭同步位移，儀器按設(shè)定步長向上自動(dòng)采集，一般間隔0.05 m或0.025 m記錄一道數(shù)據(jù)。

由于管線材質(zhì)一般為混凝土或鋼材，其波速大于土層波速，超聲波從發(fā)射探頭出發(fā)至接收探頭，主要路徑有四種(圖2)：①直達(dá)波，超聲波直接穿過土層；②反射波，超聲波經(jīng)管線反射；③上行折射波，入射波達(dá)到折射波臨界角，沿管線上沿傳播；④下行折射波，入射波達(dá)到折射波臨界角，沿管線下沿傳播。設(shè)土層波速為vps，管線波速為vpp，管線半徑為R，左側(cè)探頭與管線中心的水平距離為L1、垂向距離為S，右側(cè)探頭與管線中心的水平距離為L2、垂向距離為S，以上物理量波速單位都為m/s，距離單位為m。若已知管線波速和土層波速，則根據(jù)斯奈爾定律可以確定折射波臨界角α。

圖2 超聲波路徑圖Fig.2 Ultrasonic wave path diagram

計(jì)算圖中超聲波四種路徑的走時(shí)：

1)直達(dá)波走時(shí)

2)反射波走時(shí)

該觀測(cè)系統(tǒng)中，反射波路徑都大于直達(dá)波，因此其初至在直達(dá)波之后，由于該方法中發(fā)射的超聲波為連續(xù)脈沖，因此較難分辨直達(dá)波后的反射波。

3)上行折射波走時(shí)

折射波的入射角和出射角相同，設(shè)為α，且系統(tǒng)左右兩側(cè)計(jì)算過程相同，利用余弦定理可得如下關(guān)系：

可求得|BE|的值：

(1)

利用正弦定理可得如下關(guān)系：

可求得|β|值：

則圓弧EG(G點(diǎn)為圓心O作地面的垂線相交于管線外徑上的點(diǎn))的弧長為：

|EG|=R(π/2-β-γ)

(2)

其中,γ=arctam(S/L1)。利用相同的方法可以求得系統(tǒng)右側(cè)的路徑長度：

(3)

|GF|=R(π/2-β′-γ′)

(4)

其中：

γ′=arctan(S/L2)

由此，可以計(jì)算得到上行折射波的走時(shí)，單位s：

(5)

4)下行折射波走時(shí)

下行折射波走時(shí)的計(jì)算過程與上行折射波相同，此處不再贅述。

跨孔超聲波法通過分析超聲波的走時(shí)變化來判斷是否存在管線、管線的埋深等問題。按照上述模型，需要確定折射波成為初至波的條件。

3 走時(shí)初至模擬

3.1 鋼制管線的走時(shí)初至分析

基于工程勘察中的先驗(yàn)信息，取目標(biāo)鋼制管線的波速為5 800 m/s，土層波速為1 400 m/s，設(shè)管線埋深為10 m，探測(cè)步長為0.1 m。設(shè)計(jì)了兩種管徑(1.0 m和0.3 m)的觀測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算不同L1和L2下初至的時(shí)間。計(jì)算結(jié)果見圖3，其中圖3(a)、圖3(b)的目標(biāo)管線管徑為1.0 m，圖3(c)、圖3(d)的目標(biāo)管線管徑為0.3 m。

圖3 鋼制管線的直達(dá)波和折射波走時(shí)模擬Fig.3 Travel time simulation of direct and refraction wave in steel pipeline

通過對(duì)圖3走時(shí)計(jì)算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，初至波有以下幾點(diǎn)特征：①直達(dá)波的初至反映了土層的波速，當(dāng)土層無變化時(shí)始終保持一致；②在目標(biāo)管線影響的一定范圍內(nèi)，折射波的走時(shí)小于直達(dá)波走時(shí)，整體波形的初至面出現(xiàn)凸起形態(tài)；③上行折射波與下行折射波對(duì)于管線中心線對(duì)稱，由此產(chǎn)生了“雙峰”的現(xiàn)象，雙峰形態(tài)隨目標(biāo)管線管徑的增大或跨孔距離的減小而愈發(fā)明顯，如圖3(a)明顯于圖3(b)，而在圖3(c)和圖3(d)中由于管徑較小而不明顯；④由初至面凸起形態(tài)可精準(zhǔn)地判斷目標(biāo)管線的深度，當(dāng)雙峰形態(tài)明顯時(shí)取雙峰的中間點(diǎn)，當(dāng)不明顯時(shí)直接取最小時(shí)間點(diǎn)。

3.2 混凝土管線的走時(shí)初至分析

基于工程勘察中的先驗(yàn)信息，取目標(biāo)混凝土管線的波速為3 800 m/s，土層波速為1 400 m/s，設(shè)定管線埋深為10 m，探測(cè)步長為0.1 m。設(shè)計(jì)了兩種管徑(1.0 m和0.3 m)的觀測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算不同L1和L2下初至的時(shí)間。計(jì)算結(jié)果見圖4，其中如圖4(a)和圖4(b)的目標(biāo)管線管徑為1.0 m，圖4(c)和圖4(d)的目標(biāo)管線管徑為0.3 m。

圖4 混凝土管線的直達(dá)波和折射波走時(shí)模擬Fig.4 Travel time simulation of direct and refraction wave in concrete pipeline

從圖4來看，混凝土管線的初至面特征與鋼制管線基本一致，也可以通過初至面凸起處雙峰的中點(diǎn)來精確地確定管線的埋深。當(dāng)管徑較小時(shí)，雙峰現(xiàn)象不明顯，此時(shí)峰值最小時(shí)間位置對(duì)應(yīng)于管線深度。

通過對(duì)鋼制管線與混凝土管線的跨孔超聲波走時(shí)分析，表明該方法可以精確地探測(cè)地下管線的埋深，且探測(cè)誤差不隨管線埋深的增加而增加。另外，由于鉆孔是在土壤中進(jìn)行，一般來說傾斜度不大，因此該影響較小。理論上來說該方法的初至面都會(huì)產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象，可通過雙峰的中點(diǎn)來判定管線中心埋深。但是當(dāng)管徑較小時(shí)，雙峰現(xiàn)象不明顯，此時(shí)可直接將最小走時(shí)點(diǎn)判定為管線中心埋深。此外，在管線范圍外且折射波初至靠前的區(qū)域，可同時(shí)觀測(cè)到折射波與直達(dá)波的存在，由此也可判斷出上下兩處臨界深度，該深度直達(dá)波與折射波走時(shí)基本相同，通過取兩處臨界深度的中間點(diǎn)也可判定管線埋深。

4 工程實(shí)例

為了驗(yàn)證跨孔超聲波法的準(zhǔn)確性，對(duì)一系列的工程實(shí)例進(jìn)行了分析。采用武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-ST06D(T)型跨孔超聲波分析儀。該儀器可實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收，并通過滾軸計(jì)數(shù)器按設(shè)定步長快速地采集數(shù)據(jù)。

4.1 工程實(shí)例1

工區(qū)位于寧波，需要探測(cè)某天然氣管線的精確埋深，管線材質(zhì)為鋼制，直徑508 mm。首先采用傳統(tǒng)的電磁法初步測(cè)出該管線的水平位置與埋深，預(yù)估埋深為5～10 m，探測(cè)孔深設(shè)為15 m。探測(cè)孔深一般大于預(yù)估埋深3 m以上，以提供足夠的背景場(chǎng)。在管線兩側(cè)一定安全距離外開孔，孔間距1.9 m。對(duì)于跨孔間距的選擇不宜過大也不宜過小，過大則信號(hào)能量弱，一般大于5 m時(shí)信號(hào)已經(jīng)很難分辨，過小則存在安全風(fēng)險(xiǎn)容易破壞管線，一般開孔位置距離管線宜在0.5 m以上。采用跨孔超聲波法進(jìn)行探測(cè)，發(fā)射信號(hào)脈寬40 μs，采樣間隔1.6 μs，探測(cè)步長0.05 m，圖5展示了實(shí)測(cè)波列分析圖。對(duì)探測(cè)結(jié)果做如下分析：

圖5 工程實(shí)例1:某鋼制管線實(shí)測(cè)波列剖面及分析Fig.5 Engineering case 1: the measured wave form and analysis of a steel pipeline

①0.0～2.75 m為填土層，由于土質(zhì)松散，超聲波易衰減，因此難以接收到信號(hào)。

②2.75～6.8 m為一般的土層，從波形上來看為直達(dá)波，即使后續(xù)存在折射波與反射波，也無法直接分辨。從該區(qū)域的波形也可看出直達(dá)波形態(tài)的基本特征(圖5內(nèi)A框)，即首波相對(duì)能量最強(qiáng)，初至清晰，后續(xù)波形能量逐漸衰減。

③6.8～7.7 m宏觀上呈明顯的“雙峰”形態(tài)，且波形形態(tài)有別于一般的直達(dá)波，這是最值得關(guān)注的范圍。在進(jìn)入該范圍時(shí)，直達(dá)波走時(shí)與形態(tài)基本不變，而在直達(dá)波初至之前開始出現(xiàn)能量較弱、走時(shí)較小的波形(圖5內(nèi)B框)。根據(jù)跨孔超聲波的理論，該波形為超聲波經(jīng)過管線后產(chǎn)生的折射波。圖5內(nèi)C框?yàn)樵摲秶ㄐ蔚姆糯螅渲屑t色曲線為直達(dá)波初至，綠色曲線為折射波初至。上行與下行折射波的峰值點(diǎn)分別位于7.05 m與7.45 m，折射波初至前置的臨界位置分別為6.8 m與7.7 m，兩者的中點(diǎn)都為7.25 m。由此可以判定管線埋深的中間位置為7.25 m。

④7.7～15.0 m為一般的土層，土層波速略有變化，但顯然不存在雙峰現(xiàn)象或明顯的小范圍突變，即該范圍內(nèi)無管線。

通過對(duì)圖5的分析，可以得出該管線的精確埋深，其中心位置為7.25 m，上下管頂為7.0 m與7.5 m，分辨率為0.05 m。該實(shí)例證實(shí)跨孔超聲波法的理論正確，具有很高的可操作性與精度。

4.2 工程實(shí)例2

本工程需要精確地探測(cè)某地下污水管的埋深，該污水管直徑2 m，材質(zhì)為混凝土。前期資料的收集基本確定了該管線的水平方位，但對(duì)于埋深并不確定，因此采用跨孔超聲波法探測(cè)該管線的精確埋深。孔間距2.5 m，發(fā)射信號(hào)脈寬40 μs，采樣間隔6.4 μs，探測(cè)步長0.05 m，探測(cè)孔深14 m。圖6展示了該工程的實(shí)測(cè)波列分析圖。

圖6 工程實(shí)例2:某混凝土管線實(shí)測(cè)波列曲線及分析Fig.6 Engineering case 2: the measured wave form and analysis of a concrete pipeline

該數(shù)據(jù)顯示出非常明顯的“雙峰”現(xiàn)象。其中折射波初至前置區(qū)域?yàn)?.8～10.8 m(中心深度8.8 m)，上下折射波峰值點(diǎn)位置分別為8.3 m和9.4 m(中心深度8.85 m)，兩者所判斷的管線中心埋深基本一致。

本工程中管線直徑大，聲測(cè)孔間距小，因此觀測(cè)到的數(shù)據(jù)中上行折射波與下行折射波的分離非常明顯。此外，由于走時(shí)差較大，波形中折射波與直達(dá)波可明顯分離(圖6框A)。相對(duì)來說，折射波能量較弱而頻率有一定的降低。

以上2個(gè)工程實(shí)例分別解決了金屬管線與非金屬管線的埋深精確探測(cè)問題，所得效果完全滿足工程需求。從中也總結(jié)出影響探測(cè)精度的主要因素：

1)探測(cè)步長，根據(jù)工程實(shí)際需求，設(shè)置合理的探測(cè)步長，最小可以達(dá)到滾軸計(jì)數(shù)器的最小步長0.01 m；

2)跨孔間距，該因素主要影響超聲波信號(hào)質(zhì)量；

3)成孔的垂直度，以上理論是建立在垂直成孔的基礎(chǔ)上，實(shí)際工程施工中會(huì)有一定程度的傾斜。

5 結(jié) 論

本文通過理論計(jì)算、模型分析與工程實(shí)例，詳細(xì)論述了基于跨孔超聲波的地下管線埋深精確探測(cè)這一新的方法。該方法基于地下管線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)跨孔超聲波這一觀測(cè)系統(tǒng)，通過分析初至波前面的“雙峰”形態(tài)精確計(jì)算出管線中心的埋深，從而達(dá)到精確探測(cè)的目的。該方法具有高精度、操作便捷、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有在深埋管線的精確探測(cè)中推廣的價(jià)值。