地鐵建設(shè)工程中管線探測(cè)方法及應(yīng)用

余森林

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引 言

城市軌道交通具有安全、快捷、準(zhǔn)時(shí)、大運(yùn)能、綠色環(huán)保等突出特點(diǎn),對(duì)推進(jìn)城市現(xiàn)代化進(jìn)程、改善交通運(yùn)輸環(huán)境、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間布局、帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展發(fā)揮了巨大推動(dòng)作用,被各級(jí)政府和市民所接受。自北京地鐵一號(hào)線1969年10月1日建成通車,至今已有50年之久,截止2021年底,我國(guó)內(nèi)地城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路累計(jì)總里程已到達(dá)7 977 km,預(yù)計(jì)到2025年末將超過1萬(wàn)km,2030年末接近1.5萬(wàn)km[1-4]。目前我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路規(guī)模、在建線路規(guī)模和客流規(guī)模均居全球第一,我國(guó)已成為名副其實(shí)的“城軌大國(guó)”。

城市軌道交通可劃分為地鐵、輕軌、單軌、市域快軌、現(xiàn)代有軌電車、磁懸浮交通、APM共7種,其中地鐵占比最高,截止2020年底,我國(guó)內(nèi)地有地鐵的城市已達(dá)38座,運(yùn)營(yíng)線路總里程6 302.79 km,占比79%[5-7]。

地鐵工程建設(shè)如火如荼地開展,地鐵建設(shè)過程中管線探測(cè)問題,特別是大埋深管線精確探測(cè)難題日漸凸顯,地鐵施工過程中管線破壞事件常有發(fā)生,不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失、影響工程進(jìn)度,更是威脅施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全、帶來(lái)巨大負(fù)面社會(huì)影響[8]。本文在總結(jié)地鐵建設(shè)工程中管線探測(cè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同類型管線材質(zhì)及敷設(shè)特征,針對(duì)性地給出了不同管線探測(cè)方法建議[9-11],并通過工程案例證明了典型大埋深長(zhǎng)輸管線及拖拉管施工電力管線等大埋深管線相關(guān)探測(cè)方法的有效性。

1 地鐵建設(shè)工程管線探測(cè)的特點(diǎn)

地鐵建設(shè)工程一般包括站點(diǎn)建設(shè)和區(qū)間建設(shè)兩個(gè)部分。地鐵建設(shè)工程相關(guān)管線探測(cè)主要有以下特點(diǎn):

(1)管線種類齊全,密集分布,管線本身相互干擾。地鐵站點(diǎn)基本建于人員居住相對(duì)集中區(qū),作為城市生命線的地下管線,其本身種類齊全,密集分布,相互干擾。

(2)探測(cè)環(huán)境復(fù)雜,探測(cè)外部干擾因素多。地鐵站點(diǎn)周邊建筑密集,地上地下人工設(shè)施復(fù)雜,管線探測(cè)環(huán)境復(fù)雜,干擾因素較多。

(3)探測(cè)深度大。不論是站點(diǎn)建設(shè)還是區(qū)間建設(shè),一般均要求對(duì)15 m深度范圍內(nèi)管線進(jìn)行探測(cè),特殊站點(diǎn)或位置探測(cè)深度要求甚至超過20 m。

(4)易漏測(cè)管線。地鐵線路為狹長(zhǎng)帶狀區(qū)域,容易漏測(cè)橫穿測(cè)區(qū)、埋深較大且在測(cè)區(qū)附近無(wú)出露點(diǎn)或無(wú)明顯附屬設(shè)施的管線。

(5)常與非開挖敷設(shè)管線交匯。因地鐵線路區(qū)間跨度大,往往不可避免與大量已有非開挖敷設(shè)(長(zhǎng)輸管道、電力管線)產(chǎn)生交匯。

(6)探測(cè)精度要求高,風(fēng)險(xiǎn)大。地鐵建設(shè)工程相關(guān)管線探測(cè)成果直接用于指導(dǎo)地鐵設(shè)計(jì)及施工,管線探測(cè)成果要求準(zhǔn)確可靠,否則極有可能造成重大事故及嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

2 地鐵建設(shè)工程管線探測(cè)方法建議

結(jié)合管線材質(zhì)、敷設(shè)深度及探測(cè)方法適用性,將管線探測(cè)分為4類,分別為淺層金屬類管線探測(cè)、淺層非金屬類管線探測(cè)、深層金屬類管線探測(cè)、深層非金屬類管線探測(cè),其中淺層管線通常是指埋深3 m及3 m以內(nèi)的管線,深層管線通常是指埋深大于3 m的管線。

(1)淺層金屬類管線

淺層金屬類管線探測(cè)首選電磁感應(yīng)法,根據(jù)感應(yīng)方式不同電磁感應(yīng)法可分為直接法、夾鉗法、感應(yīng)法,具備鐵磁性的管道可選擇磁法,熱力金屬管道或高溫輸油管道探測(cè)也可選擇紅外輻射測(cè)溫法。

(2)淺層非金屬類管線

淺層非金屬類管線探測(cè)首選探地雷達(dá)法,燃?xì)夥墙饘俟艿捞綔y(cè)可采用主動(dòng)聲源法,鋼筋混凝土或帶金屬骨架的管道亦可采用磁偶極感應(yīng)法。

(3)深層金屬類管線

深層金屬類管線探測(cè),應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件首先采用電磁感應(yīng)法中的直接法或高密度電阻率法對(duì)目標(biāo)管線進(jìn)行初步定位,然后利用高精度鉆孔磁法、鉆孔瞬變電磁法等進(jìn)行精確定位。

(4)深層非金屬類管線

深層非金屬類管線探測(cè),若存在出露點(diǎn)或備用空管,首先考慮采用慣性陀螺儀法及導(dǎo)向儀法探測(cè),對(duì)于無(wú)出露點(diǎn)或備用空管的非金屬管線可采用鉆孔雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)。

管線探測(cè)方法的選擇在滿足探測(cè)精度要求的前提下,應(yīng)綜合考慮探測(cè)效率和經(jīng)濟(jì)性等因素。另外管線探測(cè)工作者應(yīng)充分了解各種方法的適用性及特點(diǎn),靈活使用,如金屬管線(如鋼質(zhì)天燃?xì)夤艿?在特殊情況下也可以停氣,利用慣性陀螺儀法進(jìn)行探測(cè),如非金屬管線可以通過在管內(nèi)穿金屬線,通過探測(cè)金屬線從而完成目標(biāo)非金屬管線探測(cè)等。

3 典型大埋深管線探測(cè)案例

淺層管線相對(duì)于深層管線,探測(cè)技術(shù)方法較成熟,探測(cè)難度較低。限于篇幅,文章主要分別介紹金屬與非金屬大埋深管線探測(cè)方法實(shí)踐。

3.1 大埋深長(zhǎng)輸管線(金屬管線)探測(cè)

(1)基本概況

據(jù)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知,南京市某地鐵工程線路不可避免與蘇南成品油DN400高壓長(zhǎng)輸管道存在交叉,而交叉段管道因各種原因?qū)е禄A(chǔ)資料不詳,無(wú)法獲知管道的準(zhǔn)確位置信息。為保證長(zhǎng)輸管道的安全,保障地鐵工程施工順利進(jìn)行,需要對(duì)該交叉段成品油長(zhǎng)輸管道的敷設(shè)位置進(jìn)行精確探測(cè)。

(2)探測(cè)思路及方法介紹

探測(cè)思路與步驟為:① 目標(biāo)成品油長(zhǎng)輸管道存在陰極保護(hù)樁,滿足直連條件,首先利用電磁感應(yīng)法(直接法)對(duì)目標(biāo)管道的水平位置進(jìn)行初步確定,并采用70%法對(duì)目標(biāo)管道的埋深進(jìn)行初步預(yù)判;② 根據(jù)步驟①確定的目標(biāo)管道水平位置、走向及大致埋深,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件確定探孔孔位及孔深(探孔深度一般大于預(yù)估深度5 m);③ 利用鉆孔磁梯度法與鉆孔瞬變電磁法對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行高精度探測(cè),探測(cè)示意如圖1所示。

圖1 鉆孔磁梯度法與鉆孔瞬變電磁法探測(cè)示意圖

(3)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及成果解釋

現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí),首先通過距交叉段最近的兩處成品油管道陰極保護(hù)樁,采用直接法追蹤目標(biāo)管道,但追蹤到交叉段區(qū)域時(shí)均無(wú)有效信號(hào)(敷設(shè)深度超出電磁感應(yīng)法探測(cè)深度);利用距交叉段區(qū)域采用直接法能夠追蹤到的最近位置,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)示樁的位置,初步確定成品油管道在交叉段區(qū)域的位置分布;垂直于目標(biāo)管道布設(shè)探孔(水沖尼龍鉆頭),探孔間距2 m,孔深25 m,每形成一個(gè)探孔便進(jìn)行鉆孔磁梯度法探測(cè),直至對(duì)目標(biāo)管道有明顯反應(yīng),探孔布置平面示意如圖2所示。

圖2 探孔現(xiàn)場(chǎng)布置平面示意圖

鉆孔磁梯度法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí),從孔1開始,首先將磁探頭至于孔底,從孔底向孔口逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù),測(cè)點(diǎn)間距0.1 m,獲得孔1磁梯度場(chǎng)剖面;孔1磁梯度場(chǎng)剖面無(wú)明顯異常,進(jìn)行孔2的數(shù)據(jù)采集;孔2磁梯度場(chǎng)剖面仍無(wú)明顯異常,進(jìn)行孔3數(shù)據(jù)采集時(shí),發(fā)現(xiàn)深度16.7 m左右處,存在明顯磁梯度變化異常,成果如圖3所示。

圖3 孔3磁梯度場(chǎng)異常剖面

鉆孔瞬變電磁法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí),重復(fù)利用孔3,首先將瞬變電磁探頭至于孔內(nèi),然后逐點(diǎn)向孔口方向采集數(shù)據(jù),測(cè)點(diǎn)間距0.1 m(由于是對(duì)鉆孔磁梯度法的驗(yàn)證探測(cè),且根據(jù)鉆孔磁梯度法已知管道深度位于16.7 m左右,因此現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)只對(duì)深度19 m至深度8 m段進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集)。提取各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間段測(cè)道數(shù)據(jù),得到沿探孔深度方向的多測(cè)道測(cè)點(diǎn)電壓剖面,成果如圖4所示。

圖4 孔3瞬變電磁測(cè)點(diǎn)電壓剖面

根據(jù)鉆孔磁梯度法與鉆孔瞬變電磁法探測(cè)成果可知,在深度16.7 m左右,出現(xiàn)了磁梯度異常變化及感應(yīng)電壓急劇升高的現(xiàn)象,兩種探測(cè)方法反映的深度基本無(wú)差別,兩種方法相互驗(yàn)證,探測(cè)精度高,探測(cè)成果準(zhǔn)確可靠。

3.2 大埋深電力管線(利用電力非金屬護(hù)管)探測(cè)

(1)基本概況

據(jù)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知,南京市某地鐵工程線路不可避免與江蘇省電力公司一拖拉管施工的110KV高壓電力管線存在交叉,該高壓電力共4根300 mm直徑電力套管,其中2根套管為空管,2根套管中存在電力管線,為確保電力管線安全,保障地鐵工程施工順利進(jìn)行,需要對(duì)該交叉段電力管線的敷設(shè)位置進(jìn)行精確探測(cè)。

(2)探測(cè)思路及方法介紹

探測(cè)思路與步驟為:① 利用導(dǎo)向儀法對(duì)4根套管進(jìn)行探測(cè),確定4根套管是否為同一腔施工,導(dǎo)向儀探測(cè)示意如圖5所示;② 若4根套管為同一腔施工,則只需對(duì)其中一根空管采用慣性陀螺儀法進(jìn)行復(fù)測(cè),慣性陀螺儀探測(cè)示意如圖6所示;③ 若4根套管分為不同腔施工,則需利用慣性陀螺儀法對(duì)每腔套管分開復(fù)測(cè)(針對(duì)內(nèi)部存在電力管線的套管,則需在對(duì)應(yīng)套管內(nèi)再穿入導(dǎo)管,然后利用微型慣性陀螺儀進(jìn)行復(fù)測(cè))。

圖5 導(dǎo)向儀法探測(cè)示意圖

圖6 慣性陀螺儀法探測(cè)示意圖

(3)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及成果解釋

現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí),首先利用導(dǎo)向儀法對(duì)4根套管分別進(jìn)行探測(cè),經(jīng)探測(cè)確定4根套管為同一腔施工;選擇其中一根空管利用慣性陀螺儀法對(duì)其進(jìn)行正反兩次探測(cè)測(cè)量,然后利用測(cè)量設(shè)備測(cè)量對(duì)應(yīng)空管進(jìn)出口的精確三維坐標(biāo),最后通過空管進(jìn)出口三維坐標(biāo)及慣性陀螺儀探測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)得到整條空管不同位置的三維坐標(biāo),從而完成對(duì)應(yīng)管線的探測(cè)工作。

根據(jù)陀螺儀探測(cè)成果及地面標(biāo)高進(jìn)行換算,導(dǎo)向儀探測(cè)成果深度與慣性陀螺儀探測(cè)深度基本一致,最大偏差處深度相差0.26 m(陀螺儀探測(cè)深度9.76 m,導(dǎo)向儀探測(cè)深度9.92 m,因篇幅關(guān)系不一一羅列各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、標(biāo)高及埋深),充分證明了慣性陀螺儀法及導(dǎo)向儀法在一定條件下均能有效探測(cè)大埋深電力管線,探測(cè)成果可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

管線探測(cè)是地鐵建設(shè)工程設(shè)計(jì)施工前必不可少的步驟,地鐵建設(shè)單位及施工單位必須高度重視地鐵建設(shè)工程相關(guān)管線探測(cè)工作?，F(xiàn)有管線探測(cè)技術(shù)已基本滿足地鐵建設(shè)工程中不同深度不同材質(zhì)管線探測(cè)需要,本文針對(duì)不同深度、材質(zhì)管線提出的探測(cè)方法建議,可為后續(xù)地鐵建設(shè)工程相關(guān)管線探測(cè)工作的開展提供借鑒與參考。