深埋非開挖管線精確定位的理論研究與實(shí)踐

朱元彪，陳恒

(寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

非開挖技術(shù)，即采用非開挖的手段進(jìn)行地下管線施工敷設(shè)的技術(shù)。它是指在不開挖或少開挖地表的情況下，對各種管線進(jìn)行鋪設(shè)或更換。自該方法應(yīng)用以來，因成本低，對城市運(yùn)行影響少，對周邊環(huán)境破壞小以及在復(fù)雜地形地物區(qū)域的管道敷設(shè)施工效率高等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，非開挖技術(shù)越來越多地用于穿越現(xiàn)狀道路，江河、建筑物等地下管線施工中。

非開挖技術(shù)施工的管線不同于開挖直接埋設(shè)的管線，采用非開挖技術(shù)敷設(shè)的地下管線有以下特點(diǎn):

(1)管線距離長，一般為50 m～2 000 m范圍內(nèi);

(2)埋深及埋深變化范圍均很大，一般在3 m～10 m之間，在穿越特殊地形時(shí)甚至能達(dá)到 20 m～30 m;

(3)管線軌跡不確定性大，可能是直線也可能是曲線。且對于沒有開口的如給水、燃?xì)?、石油等管線在兩端均無露點(diǎn)。

因此，對此類管線的平面位置和深度的探測是管線探測的新難題。

常規(guī)的管線探測儀，通常用于解決埋深小于3 m的封閉管線探測問題。對于大埋深的非開挖管線來說，以埋深10 m為例，使用磁力儀，探地雷達(dá)，通過單一的磁梯度儀可以較為準(zhǔn)確地解決埋深問題，埋深精度可達(dá)±0.4 m～±1 m，平面探測精度一般為±1 m。對于某些特定工程以及軌道施工來說，更高的精度意味著更精準(zhǔn)的方案和更高的成本。本文根據(jù)管線施工的特點(diǎn)，對不同埋深，不同管徑的管線采用電磁法、磁梯度法、觸探法的組合方法，成功解決了各種特深管線的精確定位問題。

2 電磁感應(yīng)法及其局限性

電磁感應(yīng)法作為最常用的地下管線探測方法，主要通過地下管線與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性差異，根據(jù)電磁感應(yīng)原理分析電磁場空間分布規(guī)律從而實(shí)現(xiàn)對地下金屬管線定位的目的。對地面發(fā)射裝置供以某一頻率的交流電電流，稱一次電流，從而在地下產(chǎn)生交變磁場，稱一次磁場。地下管線在交變磁場的電磁感應(yīng)作用下產(chǎn)生的電流，稱二次電流。地面接收裝置測定二次電流所產(chǎn)生的交變磁場，來解算地下管線的空間位置。亦可把供電電極兩端一級接到金屬管線和另一極在遠(yuǎn)端接地，探測基本原理與電磁感應(yīng)法一致。

假設(shè)地下無限長導(dǎo)體對應(yīng)地面投影產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度分量為HX、垂直分量為HZ。則有:

式(1)、(2)中:I為導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，單位為A，X管線中心與地面觀測點(diǎn)的水平距離，h為管線的埋深，單位均為m，HX、HZ的單位為A/m。在地下管線埋深分別為1 m、2 m、3 m、5 m的情況，假定供電電流I為2πA，HX、│HZ│的剖面理論曲線分別為圖1、圖2所示。

圖1 HX剖面理論曲線

圖2 │HZ│剖面理論曲線

從圖2可以看出:在供電電流一定的情況下，隨著埋深增加，HX的最大值急劇下降。當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深大于3 m時(shí)，HX曲線趨于平緩，無法找到最大值點(diǎn)。

從圖3可以看出:在供電電流一定的情況下，當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深小于3 m時(shí)，│HZ│曲線以較大的斜率過原點(diǎn)，管線的兩側(cè)上方│HZ│有極大值。當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深大于3 m時(shí)，曲線以平緩的斜率過原點(diǎn)，無法辨認(rèn)│HZ│極大值。

一般情況下，并非所有金屬管線探測儀都能探測長距離、深埋(埋深〉4 m)的管線。通過使用較大發(fā)射功率的儀器，采取遠(yuǎn)端直連接地，增加功率和電流和施加低頻信號探測等措施可以增加一般管線探測儀的極限深度，為精確探測提供可供參考的初步數(shù)據(jù)。

3 磁梯度法探測原理

地球可視為一個(gè)兩極分別位于地理兩極附近的磁偶極子，在整個(gè)地球表面都有磁場的分布。因?yàn)榈厍虼艠O的位置時(shí)間不同發(fā)生變化，地磁場也會(huì)因時(shí)間和空間的不同而有所差異。但在某一特定工程領(lǐng)域內(nèi)，可認(rèn)為地磁場在該區(qū)域內(nèi)是固定的。在沒有磁性物質(zhì)干擾的空間內(nèi)，其磁場強(qiáng)度就是地磁場，即背景場。

對于鐵磁性物質(zhì)而言，由于其自身磁化率非常高，受大地磁場的磁化作用，其周邊的磁場強(qiáng)度比背景場或其他物質(zhì)磁化產(chǎn)生的磁場都要強(qiáng)很多。對于天然分布的磁場而言稱之為磁異常。不同物體的磁性和空間分布的差異使其在空間磁場的分布特征也不同。在已知金屬管線周邊磁場分布的正演模型后，通過用專門的儀器來探測工程區(qū)域內(nèi)的磁場分布，根據(jù)所測得的磁場分布特征數(shù)據(jù)匹配管線的正演模型即可推算出該管線的平面位置和深度信息。

在正演模型研究中，可以將局部區(qū)域內(nèi)的水平金屬管道簡化為一個(gè)無限長水平圓柱體，如圖3所示。

磁性體沿管線方向無限延長，磁位沿管線方向無變化。因此無限長水平金屬管線在空間內(nèi)各磁場分量梯度值(垂直分量Zα、水平分量Hα)的表達(dá)式分別為:

圖3 水平金屬管線正演模型

式中MS為有效磁矩，MS=JS·S;JS為有效磁化強(qiáng)度;S為水平圓柱體的截面積;R為水平圓柱體的中心埋深;i為有效磁化傾角。

通過本文中電磁感應(yīng)原理分析可知，通過電磁法探測埋深很深的管線是不太可行的。但是通過在管線周邊鉆孔，將磁梯度儀放置于孔內(nèi)，在垂直方向上測量金屬管線垂直方向上的Zα曲線變化，效果較為明顯。

圖4為水平金屬管線同側(cè)不同水平距離垂直剖面上的Zα值的理論變化曲線。假設(shè)水平金屬管道的中心位置投影到地面上的零點(diǎn)，管中心上下各5 m，距離管線中心水平距離分別為0.5 m，1 m，1.5 m，2 m所建立模型后得到的垂直磁梯度正演理論曲線。從圖4可以看出，在接近金屬管道的鉆孔內(nèi)，Zα值隨深度的變化非常明顯，在1.5 m以外的部分，Zα值幾乎無變化。

圖4 無限長金屬圓柱體在垂直剖面上的Zα梯度值理論曲線

4 觸探

在通過其他參考資料或者輔助技術(shù)手段對管線位置粗略探測后即可采用觸探方式將其精確定位。沿垂直管線走向截取該管線可能存在空間的橫斷面，在該橫斷面位置以某一間距依次鉆孔至接觸被測物體表面來探測被測物體的平面位置和埋深信息。當(dāng)對被測物定位精度要求很高時(shí)，用多個(gè)觸探定位點(diǎn)擬合被測物體幾何形狀能取得很好的效果。

然而隨著管線埋深的加大，觸探難度也隨之急劇增加。對于埋深較深的管線，首先其平面位置本身有著很大的不確定性;其次管壁兩側(cè)邊緣處切線斜率很大，即使接觸到管線也可能沿著管壁滑下，造成管線不在此處的“假象”;即使明確知道管線位置，也很難保證鉆孔的垂直度，鉆孔平面位置常會(huì)產(chǎn)生鉆孔深度10%甚至更大的偏差，從而導(dǎo)致觸探點(diǎn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)和管線幾何形態(tài)無法擬合。為實(shí)現(xiàn)精確鉆孔并接觸管線表面，可采取以下措施:

(1)保證鉆孔時(shí)鉆桿的垂直度

在鉆孔前用全站儀對擬采用的各個(gè)鉆桿進(jìn)行校驗(yàn)，鉆孔時(shí)用兩臺或多臺全站儀在鉆孔前及鉆孔時(shí)對鉆桿進(jìn)行多方位實(shí)時(shí)校正。實(shí)踐證明此方法能將鉆桿平面位置偏移控制在鉆桿長度的1%以內(nèi)。

(2)分析管線可探測區(qū)間

充分考慮管線兩側(cè)可能出現(xiàn)側(cè)滑的區(qū)間及鉆孔的最大傾斜度，結(jié)合待探測管線的管徑，在假設(shè)管線位置為已知的情況下，精確計(jì)算出管線對應(yīng)地面可探測區(qū)域范圍。

(3)合理布設(shè)斷面

根據(jù)(2)中推算的管線和探測范圍，結(jié)合勘探現(xiàn)場實(shí)地情況，設(shè)置一定的重疊度布設(shè)斷面，即可實(shí)現(xiàn)幾乎各種管徑管線的精確觸探。

5 應(yīng)用實(shí)例

寧波市某區(qū)天然氣供氣主管線，其平面位置橫穿寧波市軌道交通2號線一期工程設(shè)計(jì)的4條軌道線路，如圖5所示。該管道管徑為273 mm，采用非開挖頂管施工工藝，埋深變化差異大，無準(zhǔn)確可靠的埋深數(shù)據(jù)，在軌道線范圍內(nèi)最大埋深處約為10 m，與軌道的兩條設(shè)計(jì)輔線標(biāo)高十分接近，為確保盾構(gòu)施工安全，需要對此管線進(jìn)行精確探測。

鑒于該項(xiàng)目的特殊性，筆者采用了磁梯度法探測與觸探相結(jié)合的探測方式。在垂直于管線方向布設(shè)了3個(gè)斷面，在各斷面處進(jìn)行鉆孔探測(斷面1鉆孔K3、K4、K5，斷面 2 鉆孔 K1、K2，斷面 3 鉆孔 K10，K11，K12，K13)，成孔后將PVC套管下到鉆好的孔中，把磁梯度儀放入PVC套管管底，以0.1 m的間隔從孔底開始依次往上測量各點(diǎn)的磁梯度值。圖6、圖7、圖8分別為斷面1、斷面2、斷面3處磁梯度探測曲線。

圖5 磁梯度斷面布設(shè)示意圖

圖6 斷面1的磁梯度曲線

圖7 斷面2的磁梯度曲線

圖8 斷面3的磁梯度曲線

根據(jù)磁梯度曲線可以看出:

斷面1標(biāo)高-1.90 m～-3.90 m部位，磁梯度值劇烈波動(dòng)，燃?xì)夤艿闹行脑跇?biāo)高 -2.90 m處(埋深約6 m)。

斷面2標(biāo)高-4.00 m～-6.40 m部位，磁梯度值劇烈波動(dòng)，燃?xì)夤艿闹行脑跇?biāo)高 -5.60 m處(埋深約9.5 m)。

斷面3標(biāo)高-4.90 m～-6.90 m部位，磁梯度值波動(dòng)明顯，燃?xì)夤艿闹行脑跇?biāo)高 -5.90 m處(埋深約10 m)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在斷面3處采用觸探方法進(jìn)一步精確定位管線位置。由于該管線管徑小(僅為0.27 m)，埋深大(約為10 m)。綜合考慮管徑、埋深、不可觸探區(qū)間(鉆孔時(shí)因管線兩側(cè)因幾何曲線斜率較大鉆頭易從管壁滑下的區(qū)間)、鉆頭尺寸及鉆孔垂直度等影響因素，在假設(shè)管線中心平面位置的情況下可模擬計(jì)算出管線中心對應(yīng)地面可探測范圍。以本項(xiàng)目埋深10 m，管徑0.27 m，鉆頭尺寸0.09 m的探測為例，模擬后得出管線對應(yīng)地面可探測區(qū)間為垂直于管線走向0.176 m，考慮可能存在的其他因素的影響根據(jù)可探區(qū)間設(shè)置30%的重疊度即以0.12 m為間隔在磁梯度斷面間加密。如斷面3 K11所示最終實(shí)現(xiàn)大埋深小管徑的觸探，測得管線中心標(biāo)高為 -5.85 m。

6 結(jié)語

深埋管線的精確定位是地下工程設(shè)計(jì)施工過程中新的難題，常規(guī)的一些探測手段對深埋管線的精確定位束手無策。磁梯度法探測能夠精確、快速探測深埋金屬管線，取得了的良好的效果。在一定程度上解決了管線探測的問題，但同時(shí)磁梯度法探測相關(guān)理論不夠完善，操作方式無固定標(biāo)準(zhǔn)，受管徑、磁化傾角等因素影響，探測誤差也有一定未知性。觸探作為磁梯度探測的一種驗(yàn)證的探測手段，一方面能驗(yàn)證磁梯度探測結(jié)果，另外一方面通過磁梯度法和觸探的探測方法相結(jié)合，能進(jìn)一步提高探測精度，將埋深誤差控制在±10 cm以內(nèi)。在精密地下工程中有很強(qiáng)的使用意義。

［1］張漢春.特深地下管線探測的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐［J］.城市勘測，2009(1):89～94.

［2］方根顯，鄧居智.特深管線的探測［C］.中國地球物理學(xué)會(huì)主編.中國地球物理學(xué)會(huì)第二十屆年會(huì)論文集，2004:181.

［3］王水強(qiáng)，黃永進(jìn)，李鳳生等.磁梯度法探測非開挖金屬管線的研究［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2005(5):353～357.

［4］劉建軍.磁法勘探技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用.路橋建設(shè)，2009(32):241～245.

［5］何厚志.地下管線探測技術(shù)及工程實(shí)施［C］.地下管線管理技術(shù)專業(yè)委員會(huì)年會(huì)論文集.中國建筑工業(yè)出版社，2000:57～61.

［6］張漢春，莫國軍.特深地下管線的電磁場特征分析及探測研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006(4).