物探方法在电力非开挖管线精确探测中的应用

李 强

（上海新地海洋工程技术有限公司，上海 200083）

随着地下管线施工新方法、新技术的迅速发展，采用非开挖技术敷设地下管线的方法已趋于成熟，并得到了广泛应用，不仅减少了地下管线施工对既有道路、房屋及景观等的影响，加快了城市地下管线敷设的速度，还带来了较好的经济效益和社会效益。地下非开挖管线埋深大（埋深已达30m以上），空间分布较复杂，呈直线、单缓弧线（深度方向）或双缓弧线（水平方向、深度方向）分布，由于早期施工设备较落后，施工技术不够成熟，管线竣工资料验收不严，使得竣工资料与实际相差较大，因此难以满足后续地下空间开发施工的需求。为了避免建设项目如楼房、隧道、桥梁、管道（顶管、拖拉管、开槽埋管等）的施工损坏已经敷设好的地下非开挖管线，造成较大的经济损失或社会影响，项目规划或施工前，必须对影响范围内的地下管线进行详细探测，确定地下管线的平面位置及埋深。目前对于埋深小于5m的浅埋管线探测手段已经比较成熟，但对于深埋的非开挖管线探测仍然存在较大难度，尤其是非金属材质管线或存在环境干扰、管孔穿满线的情况下，如何采用物探方法解决这些疑难问题是工程物探今后研究的重点。

1 地下非开挖管线探测难点

（1）非开挖管线的材质主要分为金属类和非金属类。金属类管线主要包括钢管、铸铁管及金属芯线缆等；非金属类管线主要包括PE管、PVC管、MPP管、玻璃钢夹砂管、混凝土管等。其中非金属材质的管线给以电磁法探测为主的地下管线探测增加了较大难度。

（2）非开挖管线截面尺寸较小、埋深较大。尽管地层与非开挖管线之间存在一定的物性差异，但被探测对象的几何尺寸与其埋藏深度之比远小于1/10，其引起的异常场难以从背景场或干扰场中分辨出来。

（3）城区地下管线探测环境干扰因素复杂。探测技术人员很难判断所有的干扰场对地下管线探测造成的影响程度，尤其是来自地上或地下的未知干扰磁场与拟探测管线引起的异常场迭加时，难以分离出有用的异常场并做出正确判断与解释。

（4）非开挖通信类、电力管线的管孔穿满线或堵塞时，导向仪、惯性陀螺仪测试单元无法穿入管孔进行探测。

（5）探测方法本身的局限性及物探仪器设备研究开发的滞后性。对于周边环境复杂、埋深大、截面小、非金属材质的管线探测存在较大难度，有时无能为力。

2 物探方法的选择

上海虹桥污水处理厂进厂管道工程的管径为Φ1200mm，埋深4.43～12.51m，线路长9.852km，采用顶管技术敷设。某公司为该项目的监测单位，监测布点时发现拟排污水管道线路与已排电力非开挖管线存在多处冲突，为避免施工损坏重大管线，造成安全事故，建议业主委托物探单位对沿线已敷设好的电力非开挖管线进行排查和精确探测。受业主委托某公司承担了该项目的探测任务，为了确保探测工作不遗漏管线，且探测精度满足顶管施工的需要，探测前期做了如下工作：（1）资料收集。走访管线权属单位，收集电力非开挖管线的数量、孔数、位置及拖拉次数等。（2）现场踏勘。核实收集的资料，察看测区内建构筑物、交通、水系（河流、池塘等）和地下管线的分布情况、地球物理条件及各种可能的干扰因素。（3）权属单位现场交底和确认。与电力管线权属单位沟通了解到部分电力非开挖管线是供虹桥机场用电的重要管线，并请电力管线权属单位到现场进行详细的交底、确认。

经资料收集、现场踏勘、权属单位现场交底和确认，得知测区内分布有10处电力非开挖管线。其中有6处（14～19孔）可能为二次拖拉施工，且有9处穿越河道，河道宽16～57m，有2处穿越高架桥（含1处穿越河道）；有2处与拟排污水管道正交，有8处与拟排污水管道距离较近或小角度斜角。探测区域周边分布有高架桥梁、河道桥梁、防汛墙、道路铁栏杆，还有来往车辆及地下错综复杂的浅埋管线等都对非开挖管线探测造成干扰，干扰因素多而杂。而要求探测数量不少于非开挖管线总孔数的70%，对每处管线全长进行探测（包括河道中间）。在这样的环境、场地条件下进行精确探测具有较大的挑战性，该公司针对地下非开挖管线探测的难点，并结合收集的资料、任务要求、环境条件及物探方法的适用性等，通过试验的方法合理地选择了有效的物探方法。首先采用导向仪法，该方法探测精度相对较高，操作简单，适合非开挖管线普测，通过普测确定每处非开挖电力管线的拖拉次数；在普测的基础上，对于完全贯通的空管再采用惯性陀螺仪法进行精确探测，由于该方法精度高且不受场地（河道及建构筑物）条件限制，凡是具备探测条件的管线均采用惯性陀螺仪法进行探测，尽量保证不同拖拉频次施工的管线都能探测到一孔；对于前两种方法无法精确定位的管线，最后采用井中磁梯度法对其进行精确探测。此次选用了适用性不同的三种物探方法进行探测，互相补充、互相验证，不仅探测效率高，而且能确保探测成果可靠，满足工程需求。

3 地下非开挖管线探测方法简介

3.1 导向仪法探测原理

导向仪法属于有源电磁法，该方法是由美国Digital Control Incorporated公司生产的DigiTrak Eclipse（SE、F1、F2、F5）地下导向定位系统，主要由接收机、固定频率（12kHz）的传感器、显示屏及穿缆器组成。该探测应先选择合适位置对传感器进行单点校准（校准距离3.0m），校准后进行定位检查，检查距离应不小于预估管线的最大埋深，当检核距离与设定距离之差符合要求时方可进行现场施测。探测前要对测区内的干扰源进行检查，当探测场地内干扰信号响应大于150时，采用发射信号强的传感器或抬高接收机的高度，以便克服或分离干扰信号；若所采取的措施无效，说明该方法不适合场地条件，探测结果不可靠。

探测前应对传感器的定位检查做好记录，必要时绘制校核曲线并对探测结果进行数据校正，如图1所示。一般现场检核值比理论值小，需进行加计算。

图1 导向仪检核曲线

探测时先将传感器固定在玻璃钢穿缆器的端部，然后推入拟探测的电力非开挖管线预埋孔内，在地面用接收机追踪传感器所发射固定频率的电磁波信号，从而获得地下电力非开挖管线的轨迹。

3.2 惯性陀螺仪法测量原理

利用惯性陀螺仪法进行管线定位主要是把载有航向和姿态传感器的管内测量单元放入管道内并使之沿管道匀速运动，从而测出管道各个位置的航向和俯仰角，如图2所示。将航向、姿态信息与里程信息结合从而推算出管道的三维坐标。

图2 惯性陀螺仪定位原理图

测量单元内的陀螺仪和加速度计组件分别测量定位仪内相对惯性空间的3个旋转角速度和3个线加速度沿定位仪坐标系的分量，经过坐标转换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度。并计算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态。该方法标称水平精度±0.25%L，垂直精度0.10%L，其中L为管线长度。定位精度不随深度加大而加大，与管道材质、周围电磁场干扰无关；定位精度与管线长度、管道内壁光洁度、拖曳速度及孔口三维坐标测量等因素有关。

3.3 井中磁测法原理

自然界中各种物体均受地磁场的磁化作用，在其周围空间产生磁场，由于铁磁性物体本身的磁化率较高，它受到地磁场磁化作用后所产生的磁场要比地层等其他物体产生的磁场强得多，这种磁化磁场与正常地磁场之间的差值称之为磁异常。通过采用专用井中磁测仪测量、记录测区磁场的分布特征，通过对测得的磁异常进行处理、分析，从而推断出地下含磁性物质管线的空间位置。具体工作就是在拟探测管线的一侧钻冲孔，用PVC管护壁，采用井中磁测仪从孔底往上或从孔口往下按等间隔（≤0.2m）采集每个深度的磁场值，每孔测2次。通过对采集的数据进行处理、分析，从而确定地下管线的埋深及位置。该方法定深精度较高，能满足相关规范及工程需求。

4 工程应用

4.1 污水顶管井74#-75#区间段探测

15孔Ф180MPP电力非开挖管线在S20外环高速公路东侧横穿北翟路高架桥，其中有6处电力非开挖管线距高架桥墩台较近，最近距离小于2m，周边环境干扰较大；另外该电力15孔非开挖管线有14孔穿有电缆，有1孔穿有7根彩色管。为防止因管道敷设时采用多次导向拖拉施工而造成漏探，选择了13个穿有较细电缆的孔位采用导向仪法进行探测。

原设计74#污水井（围护结构外径10m）中心与电力非开挖管线之间最小距离只有2m，拟排74#-75#污水井区间顶管直径Φ1200mm，内底标高-2.6m，与电力非开挖管线小角度斜交。

针对周边复杂的环境条件，探测前对测区内的干扰源进行详细检查，发现北翟路地面道路路以南2.5～24.8m干扰较大，干扰信号响应已经大于150，采用发射信号强的传感器或抬高接收机探测，探测效果无明显改善；此后换不同型号的导向仪及传感器进行复探，前后探测结果基本一致，均向高架桥方向明显偏移。根据南北侧干扰小的区域探测管线走向的趋势及工作经验，推断该电力非开挖管线为近直线敷设。由于采用导向仪初步探测的非开挖管线位置与设计的74#污水井位冲突及顶管区间埋深冲突，需要根据探测结果做修改变更，因此采用井中磁测法对其进行了精确探测，在导向仪探测干扰大的区段共布设3个测孔，将Ф18mm的强磁棒推到磁测孔位置进行探测，探测的磁异常特征明显，推断该处电力非开挖管线顶标高为-6.12m，其平面位置与前期推断的电力非开挖管线位置一致，将导向仪探测结果与井中磁测探测结果进行比较，得知管线平面位置往高架桥墩台方向最大偏移量达3.0m，埋深偏移量小于1.0m。可以看出产生偏移量的大小与桥墩下部桩基数量、两者间距离及周边干扰等因素有直接关系，当干扰信号小于有效信号2倍以上时，对探测结果影响相对较小。因此采用导向仪探测前必须对周边环境进行干扰调查，探测过程中必须详细记录周边场地、环境条件干扰情况，探测后还应结合环境干扰因素及竣工资料对探测管线的轨迹合理性进行分析判断，复杂情况下建议采用综合物探方法或触探法进行验证，如图3所示。

图3 74#-75#区间电力非开挖管道探测成果图

4.2 污水顶管井24#-25#区间段探测

15孔Ф180MPP电力非开挖管线在天山西路南侧横穿北横沥港，河道宽56m，距北横沥港桥墩最近距离3.6m。15孔电力非开挖管线中有9孔穿有电缆，还有6孔为空管，其与拟排污水管道位置近似平行，河道内间距小于0.8m。

为防止因管道敷设时采用多次导向拖拉施工而造成漏探，采用导向仪法和惯性陀螺仪法总共探测11孔，其中陀螺仪法探测6孔，导向仪法探测5孔。北横沥港水面上使用充气橡胶船辅助定点探测，探测点距约5m，采用GNSS网络RTK测量。同时，采用导向仪探测前对测区内的干扰情况进行了详细检查，干扰信号响应小于50时，适合采用导向仪探测。导向仪探测过程中，为了减小水上探测的定位误差，先在前后定位点处做好标识，当前后定位点与探测定位点在一条直线时，将充气橡胶船固定平稳后读取深度并测量坐标及高程。

经过数据处理及导向仪探测深度修正后，将探测得到的11条电力非开挖管线的轨迹绘制成三维曲线，然后拟合其包络线，拟合包络线横截面直径为1.35m，与理想状态偏差0.24m（如图4所示），因此探测误差可按0.48m计。此次探测的11孔电力非开挖管线平面位置及埋深无一点落到包络线外面，重复探测结果中的误差满足规范要求，证明探测成果准确性高。

此次采用综合物探方法探明了10处电力非开挖管线的平面位置及埋深，其中有5处与拟排污水管道埋深或井位有冲突，通过设计修改变更，避免了污水顶管施工损坏电力非开挖管线所带来的重大工程事故和经济损失，目前敷设的污水管道已经顺利竣工。

5 结束语

图4 包络线横截面

（1）实践证明导向仪法、惯性陀螺仪法、井中磁梯度法对电力非开挖管线精准探测是有效的，因不同探测方法的适用范围不同，择优选用有效的物探方法可以达到事半功倍的效果。（2）大截面的电力非开挖管线（大于7孔Ф200mm）可能为多次拖拉施工，应采用导向仪在一侧多孔探测判定拖拉次数，然后选择部分孔进行全长探测，可以提高工作效率，适当增加探测孔数可以提高探测结果的可靠性。（3）采用导向仪探测非开挖管线前必须进行校准、定位检查及环境干扰情况测试，并做好记录，必要时对探测结果进行深度校正。探测后应结合环境干扰因素及竣工资料对探测管线的轨迹合理性进行分析判断，复杂情况下建议采用综合物探方法或触探法验证。（4）对于未穿电缆的电力非开挖管线应首选惯性陀螺仪法探测，探测的管孔必须贯通、清洁，且能将测试单元从孔的一端匀速拉到另一端，然后再从该端连续匀速拉回，一旦中间停顿或卡孔，则探测结果无效。（5）采用井中磁测法精确探测电力非开挖管线时，探测前应判定电力非开挖管线周围是否有磁场，因大部分电力非开挖管线设计为完全屏蔽型，其周围并未分布有可探测到的磁场，因此探测时应将强磁棒推到拟探测孔的相应部位进行探测。