無損物探技術在超長距離盾構軸線定位的研究與應用

李呈旸

（上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433）

0 引言

隨著施工技術的發(fā)展，目前在市政隧道及公路隧道中使用盾構法進行隧道施工越來越多。盾構法隧道是由盾構掘進機在土體中掘進完成施工，盾構機掘進機是由一個盾牌型刀盤切削土體，由圓柱狀鋼殼提供工作面保護，依靠在鋼殼內拼裝成環(huán)的管片給于呈圓周狀布置的千斤頂組提供支撐，然后由千斤頂向前推進，從而實現在土體內前進的大型隧道施工機械。在地下作業(yè)的過程中，盾構機的運動軌跡將基本形成地下隧道走向的實際軸線，工程要求隧道的實際軸線偏差符合設計及相應規(guī)范的規(guī)定要求，以保證隧道工程的質量，從而保障地下隧道竣工后的營運安全［1］。同時，盾構法隧道在最終到達接收井時，必須準確地進入到預設的鋼洞門圈內，否則會造成巨大的安全風險和經濟損失，甚至重大質量事故。因此盾構法隧道施工必須要嚴格按照設計軸線準確控制盾構機的實時位置，確保后續(xù)成型后的隧道符合設計要求，最終指導盾構機準確穿過鋼洞門圈進入接收井。而指導盾構機前進方向，需要盾構施工測量技術，在隧道施工中如何對超長距離盾構隧道進行精確定位是目前急待解決的問題。

1 技術現狀及技術難點

1.1 技術現狀

現有的測量技術大致分為兩種，一是將地面坐標通過豎井聯系測量傳遞到隧道內，并在隧道內布設支導線，利用支導線的數據測量盾構機布設在盾構縱軸方向上的測量標志，最后根據測量標志與盾構機頭部尾部中心的關系，計算出盾構機的頭部、尾部中心的三維坐標，比較它們與隧道設計軸線之間的偏差，從而指導盾構機很好地沿著設計軸線前進，二是采用高精度全站式陀螺儀，全站式陀螺儀可以直接測定隧道內未知邊的方位角。

1.2 技術難點

由于施工中存在著測量誤差，對于超長距離盾構隧道，當支導線的長度達到超過 2 km 之后，累計的測量誤差就會超出隧道設計要求，造成不能順利進入接收井，盾構隧道工程就存在相當大的風險，造成的損失不可估量。若采用昂貴的高精度陀螺儀且該儀器由于只能做方位復核，不能傳遞坐標，也不能完全確保隧道百分之百完全貫通?，F有技術成本高、效率低，無法適用于超長距離的盾構法隧道。為了解決上述測量技術的不足，提供一種低成本，高效率，成果直觀的測量方法，下面介紹一種利用物探技術在上海某超長盾構施工對盾構軸線定位研究及應用情況。

2 超長距離盾構軸線定位的探測方法

2.1 研究內容

2.1.1 物探方案研究

通過對盾構隧道施工工藝及物探原理及物探精度的調查研究，利用探地雷達對金屬物體會形成強烈反射波的特性，結合現有測斜及測量技術方法，研發(fā)了一項針對超長距離盾構軸線無損定位探測系統(tǒng)及方法。設計了一套可用于超長距離盾構軸線定位的探測裝置，包括：預埋裝置、電磁波信號收發(fā)裝置、隧道內探測裝置、定位測量裝置，如圖 1 所示。

圖1 預埋裝置示意圖

1）預埋裝置：預埋測斜管、實心鐵球、角反射器、電纜線回路。

2）電磁波信號收發(fā)裝置：管線儀。

3）隧道內探測裝置：探地雷達、探測板。

4）定位測量裝置：測斜儀、測量架、棱鏡。

2.1.2 物探方法流程

物探方法的流程，如圖 2 所示。

圖2 探測方法流程圖

1）拼裝預埋測斜管，實心鐵球固定在預埋測斜管底部，角反射器安裝在實心鐵球中心位置，安放并固定預埋測斜管至預埋孔位。安裝固定測量架，架設棱鏡于預埋測斜管頂部中心位置，并測出棱鏡的三維坐標，測斜儀測出預埋測斜管的方向及斜率，并計算出棱鏡與預埋測斜管底部中心偏差，得到下方鐵球中心位置坐標。

2）連接電源和變壓器，電磁波信號發(fā)射裝置通過夾線接入電纜線，開啟電磁波信號發(fā)射裝置。在盾構隧道內相同里程管片周邊，先使用電磁波信號接收器探測纏繞預埋測斜管底部鐵球上電纜線的大致位置。

3）將管片填充物和探測板固定至管片頂部。測量出探測板四個角點上 L 型棱鏡三維坐標及待測管片的三維坐標，確定管片實測中心軸線。

4）確定好起始位置后，探地雷達進行探測，先在從左至右完成一次管片環(huán)向探測，從后向前完成第二次管片豎向探測，形成網格通過雷達層析圖分析出預埋測斜管底部實心鐵球和角反射器與探地雷達起始位置的距離，定位做好標記測出該位置的三維坐標，計算出與待測管片的中心的偏差值，最終得到實測管片中心與設計軸線的偏差。

2.2 工作原理及方法

2.2.1 測斜儀的工作原理及方法

測斜儀的基本工作原理是土體深部水平位移測試采用測斜儀，它是可以精確地測量沿垂直方向土層或圍護結構內部水平位移的工程測量儀器?；幼冃斡^測通常采用滑動式測斜儀，主要由測斜管、探頭、電纜和主機四部分組成。工程應用時，首先在土體（樁型體）中預埋測斜管，土體（樁型體）發(fā)生變形位移后，整個測斜管也產生相應變形，測斜探頭滑輪順槽逐點測試，可精確測出水平位移量。根據位移量的大小，做出預報，指導施工。

測斜儀的工作原理是量測儀器軸線與鉛垂線之間的夾角變化量，使用程序進行分析，進而計算出巖（土）體不同高處的水平位移。按測點的分段長度，分別求出不同高程處水平位移增量，從測斜管底部測點開始逐漸累加，可以得出不同高程處的水平位移，利用測斜儀測讀的數據，進行位移、傾角的物理量測［2］。

2.2.2 管線儀的工作原理及方法

管線儀的理論原理是根據電磁理論，交變的電流在空間產生變化的磁場，其關系滿足安培環(huán)路定律。如果周圍是均勻介質，加載交流電流的導體足夠長、直時，在該導體周圍產生一個同軸的交流電磁場，磁場強度的大小正比于電流，反比于到導體的距離。如將一線圈置于這個磁場中，在線圈內將感應產生一個同頻率的交流電壓，感應電壓的大小取決于該線圈在磁場中的位置，當磁力線方向與線圈軸向平行時，線圈感應的電壓水平分量呈極大，當線圈軸向與磁力線方向垂直時，感應的電壓水平分量最小，為極小值，探測儀正是利用這一特點實現埋于地下的管線的路由查找。

管線儀基本使用方法：發(fā)射機的信號發(fā)送連接方式：直連法、耦合法、感應法；接收機的三種工作方式：波峰法、波谷法、跨步電壓法［3］。

根據現場實際探測條件所需我們選擇采用直連法，發(fā)射機紅色接線端直接連接到預埋管上的電纜線，另一端接地。此種方法產生的信號比較強。位于隧道內的接收機使用波峰法：波峰法是用水平線圈接收電磁場水平分量的強度。對預埋于測斜管底部的線圈進行峰值檢測來說，在待測目標正上方時，當接收機的正面與電纜線垂直時磁場響應強度大，線圈所在的磁場強，還因為此時磁場磁力線的方向與線圈的平面垂直，通過線圈的磁通量大。當接收機向電纜線兩側延伸檢測時，磁場響應強度對稱且逐漸減小。通過線圈的磁通量變小，從而產生如山峰一樣的信號響應。因此通過峰值最高點來確定預埋管底部纏繞在鐵球上電纜線圈的的位置是比較可靠的。

2.2.3 探地雷達的工作原理及方法

高頻的電磁波以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線定向送入地下，以存在電性差異的地下地層及目標體反射后回地面，并由接收天線所接收。高頻電磁波在介質中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或地質體的空間位置及結構。

地下介質具有不同的物理特性，如各類介質的介電性、導磁性及導電性差異，對電磁波具有不同的波阻抗，發(fā)射入地下的電磁波在穿過各地層及管線等目標體時，由于界面的波阻抗不同，電磁波在不同介質的界面上會發(fā)生折射和反射，反射回地面的電磁波脈沖其傳播路徑、電磁波場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態(tài)而變化，因此，從接收到的雷達反射回波時、幅度及波形資料，可以推斷地下各類介質類型與埋深［4，5］。其具體工作原理如圖 3 所示。

圖3 探地雷達工作原理圖

常見介質的相對介電常數如表 1 所示。

表1 常見介質介電常數表［6］

根據探測現場探測的位置在盾構隧道管片外上部 1～2 m 區(qū)域。探測有部分土層，在現場實測時，同步注漿已經完成，原狀土淤泥質粉砂層，因此估計其介電常數約為 16，管片的厚度為約為 28 cm。選用頻率為400～800 MHz 的探地雷達天線最為合適。

3 應用實例及分析

3.1 工程背景

上海市天然氣主干管網崇明島-長興島-浦東新區(qū)五號溝 LNG 站管道工程隧道 B 線主體隧道為內徑 3.4 m 的越江隧道，該工程采用盾構施工工藝，單次掘進長度達 6.931 km，如此小口徑、超長距離越江隧道工程在盾構隧道施工領域尚屬首次，其施工難度及風險極大，對施工設備、技術、管理等綜合施工水平提出了極高挑戰(zhàn)。

工程地質情況：本工程地基土屬第四紀晚更新世及全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布尚穩(wěn)定，可劃分為 8 個主要土層。其中，第①0-2、第②3 層以及第③2 層以粉性土、砂土為主，在動水力作用下易產生流砂、管涌等不良地質現象，基坑開挖時需引起注意。第④層淤泥質黏土、第⑤1-1 層黏土及第⑤3-1層粉質黏土，土質軟弱，具有流變和觸變特性，開挖過程中應盡量減少土體擾動。

3.2 儀器選擇

主要儀器選擇如表 2 所示。

表2 主要儀器匯總表

3.3 測點及布設

3.3.1 地面雷達探測試驗

試驗使用 CrossOverPLT600 在地面上進行鐵球探測試驗；使用隧道施工相同規(guī)格、相同材質管片，將管片側向放置在空地上，管片凸面處堆放實際隧道施工中相同深度的原狀土，堆放土體長 2 m、寬 2 m，高 1.35 m 與側向放置管片高度齊平，如圖 4 所示。

圖4 地面試驗示意圖

使用鐵球直徑為10、15、20cm；探測距離為160 cm、200 cm；探測步距為 1、2、3 cm；正反測線共計 44 條。試驗目的：研究探地雷達探測鐵球偏差精度，探地雷達探測鐵球最佳距離，以及預埋鐵球的最佳直徑。試驗成果結論：單次成果鐵球位置偏差在 13.3 cm，通過對正反測線進行取平均值后，鐵球位置的偏差基本可控制在 10 cm 以內（見表 3）。

表3 管片外鐵球物探定位成果表 cm

成果優(yōu)化：根據多次探測數據比較，鐵球直徑大小在 15 cm，探測距離在 160 cm，探測步距為 1.5～2 cm時探測數據精度較高，正反測線與鐵球位置的偏差較穩(wěn)定。相對偏差可控制在 5 cm。

3.3.2 隧道內雷達探測試驗

在盾構隧道內 281 環(huán)、282 環(huán)、283 環(huán)進行鐵球預埋實地探測試驗如圖 5～7 所示。

圖5 實地探測試驗示意圖

圖6 地面預埋點示意圖

圖7 現場實地探測照片

使用鐵球直徑為13cm。探測距離：架設模板為200 cm，直接貼合管片為 180 cm；探測步距為 2 cm；正反測線共計 21 條；取有效測線 7 條。試驗目的：總結借鑒地面試驗成果，在實際工況下，探索電磁波雷達探測隧道軸線偏差的精度。試驗實施：沿隧道軸線精準定位三個點位，位置如圖 5 所示；將鐵球固定在測斜管底部，打設測斜孔，將鐵球放置于隧道上方 1.5 m 處；對測斜管進行垂直度測量，計算出鐵球精準坐標；在隧道內利用探地雷達探測出鐵球與隧道位置關系，計算出隧道軸線坐標。

試驗成果結論：利用管線儀探測，三處鐵球位置偏差大致在 30 cm 范圍以內，只能作為初探鐵球位置的大致定位；探測板探測：單次成果除 282 環(huán)鐵球位置偏差在最大 26.6 cm，281 環(huán)和 283 環(huán)鐵球位置偏差在最大 10 cm；直接貼著管片進行探測：通過對正反測線進行取平均值后，鐵球位置的偏差可控制在 10 cm 以內（見表 4）。

表4 281 環(huán)至 283 環(huán)隧道外鐵球物探定位成果表 cm

成果優(yōu)化：根據多次探測數據比較，由于本次探測距離在 170 cm 至 200 cm，鐵球直徑在 13 cm，所測成果與鐵球位置的偏差也相對比較大，由于管片是錯縫拼裝，通過觀察管片上的預留孔內有金屬內襯再加上探測距離和鐵球大小相對縮小對本次探測精度會有比較大的影響，建議鐵球直徑大小可在 15～17 cm，探測距離應小于 170 cm，探測步距為 2 cm 時探測數據精度較高，正反測線與鐵球位置的偏差較穩(wěn)定。相對偏差可控制在 10 cm。

3.3.3 長距離隧道 6 km 處隧道內雷達探測

在盾構隧道內 5 020 環(huán)、5 024 環(huán)進行鐵球預埋實地探測如圖 8～10 所示。

圖8 實地探測示意圖

圖9 斜管照片

圖10 隧道內探測照片

使用鐵球直徑為 17 cm，探測距離為 150 cm，探測步距為 2 cm，正反測線共計 32 條，取有效測線 4 條。成果匯總：成果三維坐標如表 5 所示；成果數據偏差如表 6 所示。

表5 成果三維坐標 m

表6 成果數據偏差 cm

成果結論：先利用管線儀探測，5 020 環(huán)和 5 024 環(huán)兩處鐵球位置偏差大致在 30 cm 范圍以內，只能作為初探鐵球位置的大致定位；直接貼著管片進行探測：分別用 400 Mhz 和 600 Mhz 天線雷達對管片進行正反測線定位點取平均值，最終通過套管法驗證 5 020 環(huán)鐵球位置與實際三維坐標偏差偏左 8.2 cm，5 024 環(huán)鐵球位置與實際三維坐標偏差偏左 1.5 cm。

4 結語

本技術采用預埋探測目標體在超長距離盾構隧道中結合無損物探技術反向探測，不僅確定目標體平面位置，還能將平面誤差控制在 10 cm 以內，但是探測的數據離散型較大，無法對測量的偏差做到精準的評估。從目前探測的最大偏差、偏差精度等數據的采集量較少，精度完全可滿足鋼套管旋挖開孔測量的定位需求。本技術在背景工程中的成功應用，證明了用本技術能對超長盾構隧道軸線進行定位的可行性。因此，相信通過探測技術改進及提高精度后在以后類似的超長距離盾構工程中可以將此技術進行推廣和應用。通過研究與應用，采用無損物探技術對預埋目標體的探測，應注意以下幾點。

1）采用探地雷達進行無損探測是一種相對快速便捷、對施工影響減少到最小的探測技術方法之一。

2）在進行對目標體探測時，可先采用綜合探測方法，如電磁法，振動波等對待測目標進行粗定位后，后續(xù)采用探地雷達對待測目標體進行實時探測，對采集到的電磁波波形進行判斷，如發(fā)現有異常反射，可以進行重復探測及采用不同的探測方式，確保探測的準確性。

3）通過前期試驗探地雷達如采用 400 MHz 和600 MHz 天線可對隧道內土層 2 m 的范圍內的直徑大小在 17～20 cm 的預埋鐵球位置做出較好的判斷。相同的地質狀況情況下，可能會有類似的雷達圖像，因此可結合前期的試驗所探測的類似圖像，提高判斷準確性。

4）由于實際現場施工的工況情況，探測場地的大小等條件，不僅增加了探測工作的難度，也對探測的結果會有相應的影響。探測過程中經常會有其他的干擾因素，如管片預埋件、隧道內電纜、以及離探測面較近的金屬結構件等，應當正確識別干擾并得到相對正確的分析結果。

5）無損探測技術在盾構隧道內探測目標體的技術應用目前還不是很多，雖然準確率和探測精度還有待提升，但對研究其對超長盾構隧道軸線定位乃至隧道內導線偏差的糾正都有著非常重大的意義。Q