綜合物探技術(shù)在軌道交通復(fù)雜管線與障礙物精細(xì)探測中的應(yīng)用研究

應(yīng)伯宣

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,上海201103)

1 引 言

在軌道交通建設(shè)過程中，由于地下管網(wǎng)和障礙物資料不清引起的地下管線損壞、建筑物沉降、設(shè)計(jì)變更、施工受阻、工期延誤等事故屢有發(fā)生，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。在軌道交通設(shè)計(jì)和施工前，必須查明地鐵沿線地下管線和障礙物的分布情況，為軌道交通線路的設(shè)計(jì)選線和施工提供基礎(chǔ)資料。由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，資料管理不善等原因，單純依靠調(diào)查或測繪工作，已無法完全確定地鐵沿線地下管線與地下障礙物的形態(tài)、平面位置和埋深等。

為了軌道交通的順利施工，需要對車站、線路周邊采用綜合物探手段進(jìn)行探測，以查明施工影響范圍內(nèi)的地下管線及障礙物分布情況，為設(shè)計(jì)選線及后續(xù)的施工或處理提供依據(jù)。目前，全國大部分城市在軌道交通建設(shè)工程可行性研究階段即采用了物探方法對線路周邊的地下管線及障礙物進(jìn)行了探查，并在探查完成后對相關(guān)的管線、建構(gòu)筑物權(quán)屬單位進(jìn)行交底確認(rèn)，通過這個(gè)過程能摸清大部分軌道交通沿線地下管線及障礙物分布情況。

隨著地下管線及障礙物施工工藝越來越多樣化，非開挖施工工藝和新型非金屬材料大量應(yīng)用到地下管線的敷設(shè)中，管線埋深也越來越大，加之軌道交通線路通常位于城市主干道下方，各類環(huán)境因素非常復(fù)雜，車輛振動(dòng)、電磁干擾等干擾因素眾多，可供開展探測工作的作業(yè)面非常有限，針對非金屬及深埋管線、深埋樁基及構(gòu)筑物等復(fù)雜管線與障礙物，精細(xì)化探測難度很大，常規(guī)的物探手段往往難以奏效[1-4]。本文結(jié)合多個(gè)實(shí)際工程案例，詳細(xì)介紹了采用綜合物探技術(shù)解決上述精細(xì)探測難題的探索與實(shí)踐。

2 復(fù)雜管線精細(xì)探測

2.1 非金屬管線精細(xì)探測

非金屬管線材質(zhì)主要有PE、PVC、HDPE等(即Polyethylene, Polyvinyl Chloride, High Density Polyethylene)，廣泛應(yīng)用于燃?xì)?、供水、排水等領(lǐng)域。相比于金屬管線，非金屬管線探測難度更大，精確定位難度高，更容易被挖破，應(yīng)引起重視。非金屬管線精細(xì)探測，目前可采用的主要方法包括探地雷達(dá)法、地震映像法、高密度電阻率法等[5-7]。

探地雷達(dá)法通過發(fā)射機(jī)發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波遇到管線會(huì)產(chǎn)生反射波，反射波被接收機(jī)接收，通過分析雷達(dá)波的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征，來判斷管線屬性、平面位置及埋深。探地雷達(dá)法是一種無損探測方法，探測非金屬管線具有效率高、分辨率高的特點(diǎn)，且不需要有該工程相應(yīng)的明顯點(diǎn)。但是由于城市里電磁干擾大，且電磁波在水里迅速衰減，導(dǎo)致探測深度非常有限，尤其是在上海、天津等地下水位高的地區(qū)，探測深度一般不超過3 m。

地震映像法通常用來探測口徑較大的非金屬管線。地震映像法勘探工作原理是在地表用鐵錘敲擊鐵板，震源激發(fā)一彈性波場，在一定的頻帶范圍內(nèi)子波向下傳播，當(dāng)遇到管線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生波的反射、繞射、散射，通過分析檢波器接收到的波形來判斷管線平面位置及埋深。

高密度電阻率法和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A，B電極向地下供電，然后在M，N電極間測量電位差，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率。根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、處理與分析，便可獲得地層中的電阻率分布狀況，從而對地層中的非金屬管線進(jìn)行定位。

2.2 深埋管線精細(xì)探測

對于深埋的金屬管線，可以采用井中磁梯度法探測，在探明管線位置的基礎(chǔ)上，采用孔中高清成像法進(jìn)行可視化驗(yàn)證。對于深埋的非金屬管線，最常見的就是通信、電力類管線，該類管線是目前軌道交通建設(shè)過程中碰到最多的管線。很多軍用管線、110 kV及以上高壓電力管線都采用非開挖工藝施工，這些管線重要程度非常高，必須采用物探手段精細(xì)探測。電力類非開挖管線內(nèi)徑一般大于15 cm，可采用陀螺儀法進(jìn)行精確定位，而對于通信類硅芯管，有些內(nèi)徑只有3 cm，可采用信標(biāo)示蹤法進(jìn)行追蹤探測[8,9]。

井中磁梯度法通過在管線附近成孔，將磁梯度儀器設(shè)備放入孔中，探測不同深度的磁梯度值，形成一個(gè)磁梯度剖面，通過分析一個(gè)剖面的磁梯度曲線，來判斷金屬管線的平面位置及埋深。井中磁梯度法探測金屬非開挖管線，定位精度高；如項(xiàng)目有更高精度要求，可進(jìn)一步開展可視化驗(yàn)證工作，探測結(jié)果基本可實(shí)現(xiàn)零誤差，該方法不受管道埋深影響。

信標(biāo)示蹤法是常用的一種通信、電力類非開挖管線探測手段。信標(biāo)示蹤法通過將示蹤器穿入到管線內(nèi)，在地面接收信號(hào)來實(shí)現(xiàn)管線的定位追蹤。示蹤器的直徑較小，可以在小口徑的通信類硅芯管內(nèi)穿越。根據(jù)需探測管道情況不同，可以采用各種手段將示蹤器送入到管內(nèi)部，加大示蹤法的應(yīng)用場景。信標(biāo)示蹤法探頭尺寸小，應(yīng)用場景廣，可對小口徑通信類管線進(jìn)行探測，也可對大口徑的排水管進(jìn)行探測。但是探測誤差較大，且隨著管道埋深變大，誤差也變大，很多時(shí)候不滿足精細(xì)探測要求，需要綜合其他方法探測結(jié)果來提高探測精度。

陀螺儀是電力非開挖管線測量的一種高精度方法。陀螺儀法定位精度高，不受震動(dòng)、電磁波等干擾；不受地形限制。一次測量可對管道進(jìn)行全線追蹤，但是只適用于兩端都有開口的管道。

3 深埋障礙物精細(xì)探測

3.1 深埋樁基精細(xì)探測

建構(gòu)筑物樁基埋深很大，很多深度都大于軌道交通盾構(gòu)頂埋深，直接影響線路的設(shè)計(jì)與施工，需采用物探手段進(jìn)行精細(xì)探測。深埋樁基精細(xì)探測方法主要有井中磁梯度法、旁孔透射波法[10]。

井中磁梯度法主要以灌注樁鋼筋籠等強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)或含有鋼筋等強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)為探測目標(biāo)體，通過觀測目標(biāo)體周圍磁異常的變化，尤其是垂直分量Za的梯度值的分布來判斷樁基埋深情況。旁孔透射波法是通過在樁頂或承臺(tái)頂部激振，同時(shí)在樁側(cè)附近與樁身軸線平行的測試孔中測量激振脈沖的初至?xí)r間和幅度沿孔深的變化情況，從而分析得到樁長的探測方法。

3.2 深埋構(gòu)筑物精細(xì)探測

軌道交通工程中的深埋構(gòu)筑物主要有沿線各類防汛墻、碼頭、人防工程以及大型地下車庫等。

對于上述障礙物的探查，主要采用實(shí)地調(diào)查、現(xiàn)場探測和鉆探相結(jié)合的綜合勘探方法。根據(jù)待探查的地下障礙物類型、物性參數(shù)差異分析和各種物探方法的適用性，同時(shí)考慮城市探測環(huán)境干擾大等因素，地下障礙物探查工作通常選用地質(zhì)雷達(dá)法、瞬態(tài)瑞雷面波法、地震映像法、井中磁梯度法、跨孔CT法等物探方法中的一種或多種解決問題[11,12]。

4 典型應(yīng)用案例分析

4.1 非金屬管線精細(xì)探測

圖1為在某地鐵工程中，采用地震映像法準(zhǔn)確探明非金屬管道的典型工程實(shí)例。該污水箱涵距離車站基坑邊線只有1.0 m，采用多功能地震儀探測，炮檢距1.0 m，采集點(diǎn)距0.3 m。探明的非金屬管道為一路3 700 mm×2 700 mm合流污水箱涵，箱涵頂埋深約1.5 m。

圖1 非金屬管道的地震映像探測剖面成果Fig.1 Seismic exploration profile of non-metal pipelines

4.2 深埋管線精細(xì)探測

圖2為采用井中磁梯度法探測深埋管線的典型工程實(shí)例。該位置有兩根深埋燃?xì)夤芫€，可能與軌道交通線路沖突，盾構(gòu)中心埋深約為20 m。

圖2 兩根并行超深金屬管線磁梯度探測成果Fig.2 Magnetic gradient detection results of two parallel super-deep pipeline

現(xiàn)場采用磁梯度儀探測，測點(diǎn)距0.1 m。管線磁場分布與管線的走向、地磁背景場等因素有關(guān)，根據(jù)正演模擬及實(shí)際探測經(jīng)驗(yàn)，管線的中心位置位于ΔZ分量磁梯度異常值中間數(shù)值處[13-16]。經(jīng)探測，兩根管線中心埋深分別為11.6 m、29.5 m。

4.3 深埋樁基精細(xì)探測

圖3(a)和圖3(b)分別為采用井中磁梯度法、旁孔透射波法探測某同一建筑物樁長的典型工程實(shí)例。該建筑物位于軌道交通盾構(gòu)正上方，因年代久遠(yuǎn)資料遺失，采用井中磁梯度法、旁孔透射波法綜合物探手段對該建筑樁長進(jìn)行探測。樁基里通常含有鋼筋，為強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)，受大地磁場的磁化作用，在其周圍區(qū)域分布有較強(qiáng)的磁異常，可以通過在樁基旁邊鉆檢測孔，觀測孔中垂直分量Za的磁梯度值的分布來判定樁長。旁孔透射波法是在既有樁基周圍土體中鉆檢測孔，并在孔中利用檢波器接收自樁頂結(jié)構(gòu)激發(fā)沿樁身向下傳遞的豎向縱波，利用應(yīng)力波在樁身傳播和土體中波透射，通過旁孔中傳感器來檢測樁身透射波首波的時(shí)間規(guī)律(擬合深度-時(shí)間直線并識(shí)別擬合直線的拐點(diǎn))判斷樁長[17-22]。由圖3(a)可見，磁梯度數(shù)據(jù)在27 m以內(nèi)存在明顯的磁異常，判斷該建筑物樁長為27 m。由圖3(b)可見，首波在27 m處存在明顯波速拐點(diǎn)，判斷樁長為27 m。經(jīng)兩種方法綜合探測，該建筑物樁基長度為27 m，兩種方法結(jié)果相互驗(yàn)證，非常一致，為設(shè)計(jì)避讓該建筑物樁基提供了可靠的依據(jù)。

圖3 某建筑物樁基長度探測成果Fig.3 Pile foundation length detection results of a building

4.4 深埋構(gòu)筑物精細(xì)探測

圖4為采用瑞雷面波法探測軌道交通沿線某人防通道的典型工程實(shí)例。該人防通道走向與盾構(gòu)垂直，因年代久遠(yuǎn)，人防通道出入口已封閉，工作人員無法進(jìn)入，需采用物探手段對其探測，準(zhǔn)確探明的人防通道位置。經(jīng)瑞雷面波探測，該人防頂埋深約5.5 m。

圖4 某人防通道面波探測剖面成果Fig.4 Surface wave detection profile of a civil air defense channel

5 結(jié) 論

本文介紹了綜合物探技術(shù)在軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用，針對目前軌道建設(shè)過程中遇到的地下非金屬及深埋管線、深埋樁基及構(gòu)筑物精細(xì)探測難題，分別介紹了各種探測方法并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。結(jié)合實(shí)際案例，具體介紹了地震映像法探測非金屬管線，井中磁梯度法探測深埋管線，井中磁梯度法結(jié)合旁孔透射波法探測深埋樁基，瑞雷面波法探測人防通道應(yīng)用。實(shí)踐表明，綜合物探技術(shù)可以在軌道交通復(fù)雜管線與障礙物精細(xì)探測難題中發(fā)揮重要作用。本文介紹的綜合探測方法和案例具有一定代表性，可為類似軌道交通工程的復(fù)雜管線與障礙物精細(xì)探測提供借鑒。