城市環(huán)境勘察中規(guī)避地下管線新技術(shù)的應(yīng)用

姚 金，張 華，孫思亮

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，大量的城市基礎(chǔ)設(shè)施建成并投入運(yùn)行，其中各類縱橫交織的地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，主要包括給排水、燃?xì)?、熱力、工業(yè)管道、電力、通訊等管線及其附屬設(shè)施［1-2］。城市地下管線種類繁多，空間分布上具范圍廣、規(guī)模大、交錯(cuò)復(fù)雜等特點(diǎn)，城市發(fā)展促使市政工程的建設(shè)規(guī)模越來越大，地下管線的變化及增長也隨之加快。地下管線是城市賴以生存和發(fā)展的必要保障，它承擔(dān)各種物質(zhì)與信息的調(diào)配與傳輸，是維持城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的“大動脈”，被稱之為“城市生命線”［3-5］。

在城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)過程中，各城市的新建、改建、擴(kuò)建工程越來越多，而勘察是工程建設(shè)重要的一項(xiàng)前期工作［6］。城市環(huán)境下為保障勘察工作安全、有效的開展，就需采取有效措施避開錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管線實(shí)施鉆探施工作業(yè)［7］。如何做到有效避開地下管線，是城區(qū)勘察工作中的一大難題。鉆探過程中一旦發(fā)生損壞地下管線事故，將帶來諸多不良影響，甚至造成人員傷亡［8］。本文從城市環(huán)境勘察工作實(shí)際出發(fā)，分析勘察工作中常用規(guī)避地下管線措施方法的利與弊，重點(diǎn)從人工挖探方式入手，介紹了采用四極探針方法識別挖探過程中所遇障礙物的材質(zhì)，進(jìn)而判斷其是否為地下管線，為工程勘察開孔過程中地下管線排查提供了一種新的技術(shù)手段。

1 規(guī)避地下管線方法分析

1.1 地下管線資料收集

一般情況下，在工程建設(shè)前期均需對建設(shè)場地范圍內(nèi)的地下管線進(jìn)行普查或者詳細(xì)勘查?？辈靻挝辉谶M(jìn)場之前應(yīng)向項(xiàng)目業(yè)主或各類管線權(quán)屬單位等收集地下管線資料，進(jìn)行分類整理，結(jié)合勘探孔的實(shí)際位置，現(xiàn)場逐孔比對核實(shí)，并邀請管線部門到現(xiàn)場對接交底，依據(jù)既有管線資料對各個(gè)鉆孔進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排查［9］。

由于我國城市建設(shè)進(jìn)程較快，老舊城區(qū)管線設(shè)計(jì)、施工未能跟上城市發(fā)展的步伐，導(dǎo)致實(shí)際管線位置與原有圖紙存在比較嚴(yán)重的偏差，甚至有些地下管線因時(shí)間相隔較遠(yuǎn)，圖紙已丟失［10］。也可能有些新埋設(shè)的地下管線還沒完成資料歸檔，導(dǎo)致未能及時(shí)收集到。以上這些因素也就導(dǎo)致通過收集地下管線資料進(jìn)行鉆孔風(fēng)險(xiǎn)排查仍存在發(fā)生鉆探損壞管線的安全隱患。

1.2 地下管線探測

根據(jù)收集的地下管線資料進(jìn)行管線排查是開展勘察工作的第一道工序，但收集的資料仍存在不全或不準(zhǔn)確的情況。經(jīng)與權(quán)屬單位現(xiàn)場核實(shí)發(fā)現(xiàn)缺失圖紙或位置不明確或偏差較大時(shí)，就需采用物探方法進(jìn)一步排查鉆孔位置下的地下管線。地下管線探測常用的方法主要有電磁感應(yīng)法、電磁波法、地震波法、直接量取法、示蹤法、軌跡法及井中磁梯度法等。對于無明顯點(diǎn)的隱蔽地下管線常用和有效的方法主要是電磁感應(yīng)法、地震波法和電磁波法，示蹤法和軌跡法主要用于有空腔，儀器能進(jìn)入管道內(nèi)部調(diào)下，直接量取法則主要用于排水管道明顯點(diǎn)［11-12］。采用電磁感應(yīng)法、地震波法、電磁波法等物探方法進(jìn)行地下管線探測，均為依靠物理場間接獲取地下管線位置的方法，其易受到探測對象與周邊土體性質(zhì)差異、周邊環(huán)境干擾、管線埋深較大、人為操作誤差及管線交錯(cuò)繁雜等因素影響，現(xiàn)有的探測儀器及方法仍存在一定的局限性和不確定性［13-14］。

1.3 人工挖探

經(jīng)地下管線資料收集和探測后仍不能完全排除孔位地下管線風(fēng)險(xiǎn)，所以根據(jù)收集的地下管線資料和管線探測成果確定勘探點(diǎn)孔位后還不宜直接采用機(jī)械鉆進(jìn)。為了進(jìn)一步保障鉆探不損壞地下管線，城市環(huán)境條件下勘察作業(yè)還常采用人工開挖探坑方式進(jìn)行管線排查。通過人工開挖鏟除上部土體，可直接查看勘探點(diǎn)位一定深度范圍內(nèi)有無地下管線設(shè)施，以此方式可較大程度的避開大多數(shù)管線［15］。但在城市環(huán)境下開挖探坑易受城市道路、場地建筑、地下管線等限制，開挖面一般不允許過大，邊長不宜超過1.0 m，并且單靠人工挖探，探孔深度一般不超過2.0～2.5 m，探孔開挖深度越深，所需的開挖工作面越大，所以采用人工開挖探坑方式排查地下管線也存在一定的限制條件。廣州市城市軌道交通項(xiàng)目勘察工作要求鉆探開孔執(zhí)行“挖三貫六”措施?！巴谌奔礊椴捎萌斯ね谔椒绞酵谥恋孛嬉韵?.0 m，首先是采用風(fēng)鎬破除路面達(dá)到填土層，再采用鐵鍬、撬棍、風(fēng)鎬等工具實(shí)施開挖，一般開挖至1.5～2.0 m 深度后，人工開挖作業(yè)所使用的工具功能受限，接著采用洛陽鏟在開挖探坑內(nèi)向下進(jìn)行洞探，洞探深度需挖至地面以下3.0 m，口徑不小于150 mm。在開挖過程中如遇到地下管線或未知障礙物時(shí)，則應(yīng)移位重新開挖，直至安全挖探至3.0 m?！柏灹笔侵搞@機(jī)就位原挖探孔位后，采用重錘錘擊巖芯管或套管至地面以下6.0 m 深度。實(shí)施錘擊貫入前巖芯管或套管需對準(zhǔn)經(jīng)人工開挖至3.0 m 探坑的中心位置，嚴(yán)禁采用重錘大距離下落擊進(jìn)，開孔過程需技術(shù)人員全程旁站，遇到跳錘或難于擊進(jìn)等異常情況時(shí)，需分析具體原因，如無法確定遇到障礙物為非管線或非地下建筑等設(shè)施時(shí)，則應(yīng)停止擊進(jìn)，更換孔位重新按照作業(yè)流程開孔。

綜上所述，在城市環(huán)境條件下開展勘察工作時(shí)，地下管線資料收集、地下管線探測、人工挖探均無法保證能完全排除地下管線風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際工程中也是聯(lián)合以上方式逐步排查，最大限度地保障勘察現(xiàn)場工作安全。一般排查步驟為：①進(jìn)行地下管線現(xiàn)況調(diào)繪及資料的收集；②再開展地下管線探測；③綜合收集的地下管線資料和探測成果，選定勘探點(diǎn)位，再實(shí)施人工挖探，挖探到既定深度后方可開展機(jī)械鉆探。人工挖探為勘探點(diǎn)管線排查最后一道工序，也是最為直接排查地下管線風(fēng)險(xiǎn)的方式，但其也存在一定缺陷，如上所述，當(dāng)“挖三”或“貫六”過程中遇有不明障礙物時(shí)，為保證開孔安全，一般都是采取移位重新挖探方式處理，這樣也就直接影響施工進(jìn)度和造成人力、物力的浪費(fèi)。為此，本文提出采用微小極距四探針方法獲取挖探或擊進(jìn)過程所遇障礙物視電阻率值，以此為依據(jù)判斷其是否為地下管線，為工程勘察開孔過程中地下管線排查提供了一道新的工序。

2 微小極距四探針方法

微小極距四探針方法是基于地球物理勘探方法中的電法勘探為基礎(chǔ)形成的一種測試方法。其主要是以目標(biāo)體的導(dǎo)電性為依據(jù)，通過微小極距電極人工向目標(biāo)體加載直流電流，再用相應(yīng)儀器觀測微小極距電極相對位置的電位大小，以此獲取目標(biāo)體的視電阻率值，從而推斷目標(biāo)體的材質(zhì)。

四探針電阻率測試采用的是直流四極法視電阻率測試原理。四探針法采用4個(gè)等距排列的微小電極貼合待測障礙物表面進(jìn)行測試，給外側(cè)2 個(gè)探針施加恒流電壓并測得回路電流值Ι，內(nèi)側(cè)2個(gè)探針測試其電壓值U，根據(jù)式⑴即可得出待測障礙物視電阻率值ρ。

式中：a為微小電極間距；U為內(nèi)側(cè)2 個(gè)探針M、N 間的電勢差；Ι為外側(cè)2 個(gè)探針A、B 間的電流，如圖1 所示［16-17］。基于四極法測試電阻率原理，實(shí)際工作中把4 根小型銅電極固定在塑料板上，電極距（探針間距）設(shè)定為10 mm，固定電極塑料板連與伸縮探桿連接，用于下放塑料板電極探頭置于挖探孔洞中的障礙物上，使4根電極探針均與障礙物接觸，從而形成視電阻率測試回路。

圖1 四探針法測量示意圖Fig.1 Measurement Diagram of Four-probe Method

地下管線的材質(zhì)主要由鑄鐵、鋼材、水泥、陶瓷、塑料等構(gòu)成，諸如金屬、非金屬管線材質(zhì)與地下土體或石塊等的電性差異較大，如勘探孔遇至障礙物，依據(jù)四極法測試的障礙物視電阻率值即可推斷其介質(zhì)材料，判定其是否為地下管線，為挖探或錘擊提供處理障礙物的決策依據(jù)。

微小極距四探針方法測試設(shè)備主要包括兩部分：①上述介紹的微小極距電極探頭；②用于測量電極間電位差、電流或電阻率值的測試儀。

目前市場上常用的電法儀一般都具備測量電位、電流及電阻率值功能，如多功能數(shù)字直流激電儀（WDJD）和高密度電法儀（AGI）等。該類儀器主要用于觀測和研究地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)勘探地球物理場的變化，測試精度和測量范圍值與微小極距獲得的物理值不相匹配，且設(shè)備重量偏重，不利于工程勘察開孔作業(yè)現(xiàn)場靈活作業(yè)。為此，通過自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)成套探孔管線識別儀主機(jī)（見圖2），其重量為1.5 kg，電壓測量范圍±5 V，電壓精度≤100 nV，電流測量范圍0～5 000 mA，測量電流分辨率100 nA，電流精度2 nA，輸入阻抗≥10 MΩ，電阻測量范圍為10-6～106Ω。采用伸縮桿把手連接上述微小極距電極探頭板，4根微小電極引出連接線可與測量主機(jī)的4個(gè)接線柱連接，微小極距四探針法測試探桿如圖3所示。

圖2 探孔管線識別儀Fig.2 Identification Instrument

圖3 微小極距四探針法探桿Fig.3 Micro Pole Distance Four Probe Method for Borehole Pipeline

3 應(yīng)用實(shí)例

基于基礎(chǔ)理論采用上述研制的微小極距四探針探桿和探孔管線識別儀主機(jī)可實(shí)現(xiàn)探孔障礙物目標(biāo)體的視電阻率測試，從而達(dá)到推測所遇障礙物材質(zhì)目的。為驗(yàn)證設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用效果，取鑄鐵管、PVC 管、不銹鋼管、干混凝土管及濕潤土5 種介質(zhì)開展電阻率值測試試驗(yàn)，各介質(zhì)測試視電阻率值如表1 所示。金屬材質(zhì)管線（鑄鐵、不銹鋼）、非金屬材質(zhì)管線（PVC、混凝土）與濕土之間的相互差異明顯，依據(jù)測試獲取的視電阻率值可直觀的區(qū)分和判斷被測目標(biāo)體的材質(zhì)大類，因此對于勘察探孔中所遇障礙物采用該方法進(jìn)行管線識別是可行的。

表1 各材質(zhì)測試視電阻率值Tab.1 Test Apparent Resistivity of Each Material

廣州某城際線路工程全長42.4 km，全線為地下線，跨越荔灣區(qū)、越秀區(qū)、白云區(qū)，線路主要沿市政道路和下穿密集房屋區(qū)，勘察場地環(huán)境條件復(fù)雜，地下管線密集分布?？辈炱陂g嚴(yán)格按照管線資料收集整理、現(xiàn)場管線探測及執(zhí)行“挖三貫六”開孔流程進(jìn)行管線排查，同時(shí)在“挖三貫六”過程中配合使用微小極距四探針方法識別挖探過程中所遇障礙物，提供人工開挖決策依據(jù)。

該城際項(xiàng)目某鉆孔實(shí)施人工挖探至1.20 m 深度，因挖探工具受限，隨后采用洛陽鏟繼續(xù)向下挖探，在挖至地面以下約1.80 m 深度時(shí)遇到較硬障礙物，挖探工作被迫暫停。因未知所遇障礙物是否為管線，不能使用重錘擊進(jìn)和機(jī)械鉆進(jìn)，為此項(xiàng)目組利用探孔管線識別儀對所遇障礙物進(jìn)行探查，分別進(jìn)行了5 次數(shù)據(jù)采集，測得視電阻率為218.52～1 457.49 Ω·m，平均值為890.67 Ω·m，依據(jù)視電阻率值基本排除所遇障礙物為PVC 類非金屬管線或鑄鐵類金屬管線，為此，建議施工班組不需移位，在原挖坑位置向四周擴(kuò)大挖探孔處理，結(jié)果擴(kuò)大原挖探孔后在障礙物旁側(cè)順利繼續(xù)下探至到要求深度的3.0 m 位置。挖穿后經(jīng)擴(kuò)孔察看原遇障礙物實(shí)際為回填的石塊，與探孔管線識別儀判斷為非管線結(jié)論一致，為繼續(xù)原位挖探施工決策提供了依據(jù)，避免移位重新開孔環(huán)節(jié)，保障了該孔鉆探工作的順利實(shí)施，如圖4所示。

圖4 探測現(xiàn)場Fig.4 Detection Site

4 結(jié)論

在城市環(huán)境下開展勘察作業(yè)，地下管線保護(hù)一直是勘察單位所關(guān)注的一大重點(diǎn)。在地下管線資料收集、地下管線探測、人工開挖排查地下管線的基礎(chǔ)上，采用微小極距四極探針方法對挖探過程中所遇障礙物進(jìn)行識別，以此指導(dǎo)人工挖探或機(jī)械擊進(jìn)遇到障礙物時(shí)的決策，具有一定的創(chuàng)新性，也為城市環(huán)境勘察中規(guī)避地下管線提供了又一道防線。

⑴依據(jù)四探針方法原理，采用微小極距四探針方法是可以較直接測得被測對象的視電阻率值，具有科學(xué)理論基礎(chǔ)和實(shí)際可操作性。

⑵管線材質(zhì)不同對應(yīng)的電性參數(shù)也不同，一般適用的金屬和非金屬材質(zhì)之間電性差異明顯，其與常規(guī)填土間差異也可區(qū)分，為采用微小極距四探針方法的應(yīng)用提供了物性前提。

⑶微小極距四極探針方法應(yīng)用于廣州某城際項(xiàng)目中，取得了較好的效果，但實(shí)際工作中，對于地下水位以下的障礙物，由于水體易引起“短路”，測取的電阻率值偏差加大，后續(xù)還需開展進(jìn)一步研究，拓展該方法適用于地下水位以下環(huán)境。