拖拉管等疑難隱蔽管線探測技術(shù)方法研究

吳 杰 李志勇

（深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

隨著社會的發(fā)展，城市土地資源日益稀缺，管道埋設(shè)不斷往深層發(fā)展，加上城市管理要求盡量減少在城市中對道路進(jìn)行“開膛破肚”等大規(guī)模破壞性施工，并且拖拉管技術(shù)和工藝日益成熟，在管道鋪設(shè)中得到大量應(yīng)用，城市拖拉管線越來越多。由于拖拉管敷設(shè)管道不需要開挖地面，能穿越地面構(gòu)筑物及公路、鐵路、河道，從而節(jié)省大量投資和時間，是對傳統(tǒng)開挖法管線施工的一次技術(shù)革命，近年來在電力、通信、給水、排水、燃?xì)夤芫€的施工方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于拖拉管敷設(shè)的管線走向不按常規(guī)、埋深大（ h >5m），已超出了目前市場上的地下管線探測儀器標(biāo)稱的勘探深度。因此，本文針對幾種探測方法的基本原理、適用性、有效性，結(jié)合實際工程案例，介紹電磁示蹤法、管道陀螺儀測量法、探地雷達(dá)探測法、井中三分量磁測法及電磁波CT法在拖拉管線探測中的應(yīng)用，并取得了較好的效果。

1 探測方法

1.1 電磁示蹤法

示蹤法是將能發(fā)射電磁信號的示蹤探頭或是示蹤線送入非金屬管道內(nèi)，在地面上用儀器追蹤信號，通過測定信號最強(qiáng)位置進(jìn)行管道定位，通過管線探測儀的70%方法進(jìn)行定深，逐點(diǎn)定位、定深，便可繪制出拖拉管的三維空間狀態(tài)。其中，示蹤線法又分為主動源法和被動源法。在管線密集的情況下，采用主動源示蹤線法的探測效果要好于被動源法。主要用于探查有出入口的非金屬管道。使用示蹤法探測時，現(xiàn)場必須有放置示蹤探頭或是示蹤線的出入口，而且應(yīng)用主動源示蹤線法時還需要具備良好的接地條件。示蹤法方法原理如圖1所示。

圖1 示蹤法方法原理圖

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、實用、簡便、快捷；探頭相對便宜，卡孔損失?。惶綔y精度較高；穿線方便；非金屬管道探測效果好；管徑不受限制等。

缺點(diǎn)：僅適用于空管；管道兩端需要開口狀態(tài)；受穿線條件限制，管道長度不能太長；探測深度受限制（﹤10m）；金屬管道探測效果較差等。

案例：深圳市龍崗區(qū)雨污分流工程的某小區(qū)，需查明小區(qū)排水管網(wǎng)分布情況。因早期小區(qū)地面改造，將部分排水管道的檢查井掩埋，導(dǎo)致本項目無法完整查明小區(qū)排水管網(wǎng)分布情況。采用探地雷達(dá)進(jìn)行掃描性探測，受地形、地物等周邊環(huán)境影響，部分區(qū)域有探測信號，部分沒有探測信息碎片化，無法準(zhǔn)確判斷管線連接關(guān)系，查明管線相關(guān)信息。經(jīng)綜合分析，采用CCTV機(jī)器人攜帶示蹤探頭進(jìn)行探測，既查明了排水管線的走向、連接關(guān)系，通過CCTV視頻也采集到管道的材質(zhì)、管徑、檢查井位置等信息，順帶也做了一下管道內(nèi)窺檢測，保證了工程設(shè)計、施工的順利完成，小區(qū)雨污分流驗收達(dá)標(biāo)。

1.2 管道陀螺儀測量方法

陀螺儀的原理：“一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的?！?根據(jù)這個原理，用它來保持方向，制造出陀螺儀（gyroscope），應(yīng)用于管道測量的就是管道陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。陀螺儀用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。然后，陀螺儀和加速度計分別測量定位儀的相對慣性空間的3個轉(zhuǎn)角速度和3個線加速度延定位儀坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為延導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度。并運(yùn)算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態(tài)，若給定坐標(biāo)系統(tǒng)以及起終點(diǎn)坐標(biāo)、高程，便可計算管道陀螺儀運(yùn)動經(jīng)過的每一個點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，從而繪制出管道的三維空間位置。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)行不受地形、電磁波、磁場等外界因素干 擾，不受管道埋深影響，適用各種口徑、材質(zhì)和埋深管道，測量速度快，測量精度高。

缺點(diǎn)：主要適用于管道兩端有開口的空管，封閉管道或帶載體物質(zhì)的管道目前操作十分繁雜；儀器設(shè)備價格高，管道中作業(yè)若出現(xiàn)事故處理十分麻煩；誤差會累計，一次測量長度太長會導(dǎo)致后端測量誤差達(dá)不到精度要求。

案例：深圳某地下快速通道建設(shè)工程，有一根高壓電力管線橫穿線路影響快速通道的盾構(gòu)施工作業(yè)，需精確查明該管線的空間賦存狀態(tài)。該電力管線外套DN1200mm鋼管，內(nèi)襯DN200mm和DN150mmPE套管各20根，內(nèi)穿電纜20根，最大埋深12.5m，兩側(cè)均有檢修井。因管線成弧度走向，地貌、地物等周邊環(huán)境復(fù)雜，埋深大，采用管線儀感應(yīng)法、直連法、自動源法、示蹤法及探地雷達(dá)、地震影像法、瑞雷波法探測均沒有效果。最終采用管道陀螺儀進(jìn)行測量，繪制出管線的三維空間狀態(tài)。成果資料提交后，地鐵設(shè)計、施工根據(jù)探測結(jié)果做了相應(yīng)調(diào)整，保證工程得以順利完成。本工程電力管線平面圖、剖面圖如圖2、圖3所示。

圖2 電力管線平面圖

圖3 電力管線剖面圖

1.3 探地雷達(dá)探測方法

探地雷達(dá)勘探方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz~1GHz）電磁技術(shù)，利用發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，接收天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。埋設(shè)地下的管道與周圍地層的電性差異較大，容易形成強(qiáng)烈的反射波；同時，管道上表面也是地層的突變點(diǎn)，常常會產(chǎn)生繞射波，而繞射波在時間剖面上為雙曲線反映。因此，根據(jù)接收波的旅行時間、幅度與波形信息，通過時間剖面上的特征圖像，就能確定管道的位置及深度。電力管塊探地雷達(dá)圖如圖4所示。

圖4 電力管塊探地雷達(dá)圖

主要用于探測埋深較淺的電力、電信管塊和排水、供水、燃?xì)獾却罂趶焦艿?。圖像直觀，容易判讀；精度可控；操作簡單、快速。但受地形、地物、電磁等外界因素干擾較大。

案例：深圳市龍華觀瀾某電力業(yè)擴(kuò)工程，需新增2根電纜，為節(jié)省投資，設(shè)想利用現(xiàn)有電力線路，在現(xiàn)有電力管塊的空管穿線或方溝中布線，但該路段因往年道路施工的原因，電力管線及附屬設(shè)施已全部掩埋，無法調(diào)查管線詳細(xì)情況，埋設(shè)方式、幾何尺寸或管塊孔數(shù)、電纜根數(shù)及布設(shè)位置、埋深、走向及檢修井都不明。采用管線儀自動源法和感應(yīng)法探測都有明顯信號，證明存在電纜，但無法查明其他信息。根據(jù)技術(shù)方法論證，利用探地雷達(dá)穿透力強(qiáng)、信息豐富等特點(diǎn)，采用探地雷達(dá)對該電力管線進(jìn)行探測，從地質(zhì)雷達(dá)圖像上可以看出，該電力管線為5×8共40孔管塊，套管管徑150mm，已有36孔穿線，塊頂埋深約為1.20m。后經(jīng)施工開挖揭露，實際情況與探測信息相符。

1.4 井中三分量磁測法

井中三分量磁測法是測量鉆孔中不同深度磁場的X 、 Y 、 Z 這3個分量，計算出磁異常，從而判斷孔旁或孔下方有無磁性物體。一般應(yīng)用于帶磁性管線的垂直方向精確探測，即用于精確探測管線的埋深。

探測方法：在距離目標(biāo)管線一定距離的一側(cè)或兩側(cè)鉆孔，采樣間隔為管線半徑，三分量磁探頭至上往下逐點(diǎn)測量，再自下往上逐點(diǎn)測量，然后通過分析磁強(qiáng)度曲線便可確定管線的位置埋深。電力三分量磁測法信號圖如圖5所示。

圖5 電力三分量磁測法信號圖

該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確測量管線的埋深，特別適合查明影響地鐵盾構(gòu)、頂管、拖拉管等地下工程施工并且以高程為主控因素的管線。缺點(diǎn)是無法精確查明管線的平面位置，探測前需要鉆孔導(dǎo)致費(fèi)用高、工期長，并且受地下磁性埋藏物干擾大。

1.5 電磁波CT法

電磁波CT法是利用無線電波（工作頻率0.5～32MHz）在兩個鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場強(qiáng)的大小，來確定地下不同介質(zhì)分布的一種地下地球物理勘查方法，也稱孔中無線電波透視法。當(dāng)電磁波通過不同的地下介質(zhì)（如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等）傳播時，由于不同介質(zhì)對電磁波的吸收（β）存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數(shù)（βs）比其圍巖的吸收系數(shù)（βo ）要大得多，因此，在溶洞、破碎帶的背后的場強(qiáng)也就小得多，從而呈現(xiàn)負(fù)異常，像陰影一樣，就是利用這一差異推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀。該方法主要應(yīng)用于拖拉管的精確探測。優(yōu)點(diǎn)是可以精確查明管道的三維空間位置，資料判讀比較直觀；缺點(diǎn)是需要在管道兩側(cè)打一排鉆孔，工作麻煩，工期長，費(fèi)用高。

案例：深圳市寶安區(qū)某大道修建地鐵，管線普查時發(fā)現(xiàn)某路口有一根高壓電力管線橫穿擬建地鐵線，該電力管線為2X3管塊，6根PE套管中都穿了電纜，無法采用示蹤法、管道陀螺儀進(jìn)行探測。道路兩側(cè)有電力檢修井，采用管線儀夾鉗法追蹤探測，在距離檢修井不到5m處探測信號很快衰減到無法判讀，兩邊一致；采用探地雷達(dá)進(jìn)行探測也沒有信號反應(yīng)。經(jīng)推測該管是采用拖拉法施工埋設(shè)，成垂向弧形穿越道路，埋深大且不同位置埋深不一樣，該管空間位置可能與地鐵盾構(gòu)施工相沖突，需精確查明該電力管線的空間賦存狀態(tài)。經(jīng)地球物理性質(zhì)論證，電力管塊與周圍地層存在對電磁波吸收的差異，且電纜帶電存在磁性，可以采用電磁波CT法和井中三分量磁測法進(jìn)行探測。在電力管線兩側(cè)按孔距3m打兩排一一對稱的鉆孔，孔深10～20m，然后采用電磁波CT法和井中三分量磁測法分別進(jìn)行探測，兩種數(shù)據(jù)相互印證解釋，兩者探測結(jié)果基本一致。成果資料提交后，地鐵設(shè)計、施工根據(jù)探測結(jié)果做了相應(yīng)調(diào)整，保證工程得以順利完成。本工程采用電磁波CT法結(jié)合井中三分量磁測法探測出的電力管線平面圖、剖面圖如圖6、圖7所示。

圖6 深圳寶安區(qū)地鐵工程采用電磁波CT法+井中三分量 磁測法探測的管線電力平面圖

圖7 深圳寶安區(qū)地鐵工程采用電磁波CT法+井中三分量 磁測法探測的管線電力剖面圖

2 結(jié)語

本文使用的5種探測方法用不同的技術(shù)手段解決了拖拉管等疑難隱蔽管線探測問題，根據(jù)最終的應(yīng)用效果，可得到以下結(jié)論：①在拖拉管等疑難隱蔽管線探測工程中，根據(jù)工程實際情況，結(jié)合各種探測方法的優(yōu)缺點(diǎn)論證其有效性和適用性，選擇合適探測方法，可以得到較好的應(yīng)用效果。②示蹤法因其經(jīng)濟(jì)、實用、簡便、快捷等特點(diǎn)，在拖拉管等疑難隱蔽管線探測中廣泛應(yīng)用，前提條件是需要有開口的空管，假如結(jié)合管道爬行機(jī)器人技術(shù)，應(yīng)用范圍會更廣。③管道陀螺儀測量方法將探查和測量技術(shù)融為一體，直接繪制出管線的三維空間狀態(tài)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，缺點(diǎn)是儀器設(shè)備價格貴，管道中作業(yè)萬一出現(xiàn)事故不好處理。測量時還需注意其誤差的累計對測量精度的影響。④探地雷達(dá)屬于比較常規(guī)的管線探測技術(shù)，應(yīng)用較廣，但受地質(zhì)背景、場地條件等因素的影響，對埋深稍微大一點(diǎn)（>5m）的管線探測就無能為力。⑤井中三分量磁測法可以精確探測帶磁性管線的垂向位置，但對管線平面位置的探測效果欠佳；電磁波CT法可以精確探測管線的三維空間狀態(tài)，但受管線與周圍介質(zhì)對電磁波吸收率差異的制約，會存在探測盲區(qū)，一般將孔中三分量磁測法和電磁波CT法結(jié)合起來用，相互印證、相互解釋，以提高探測準(zhǔn)確率和精度。