王 健，江怡芳，朱能發(fā)，潘喜峰

(1．天津市勘察院，天津300191;2．天津市星際空間地理信息工程有限公司，天津300191)

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和城市基礎(chǔ)建設(shè)的日新月異，城市地下管線的分布日趨密集和錯(cuò)綜復(fù)雜。城市建設(shè)施工時(shí)，經(jīng)常遇到由于不能確定地下管線的走向和深度而挖斷供水、供氣、輸油管線和電纜、光纜的情況，給生產(chǎn)和生活造成巨大損失和不便。為維護(hù)城市生命線正常運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展，從現(xiàn)代城市管理的需要出發(fā)，一個(gè)能快速提供真實(shí)準(zhǔn)確的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)快速查詢、綜合分析等功能，為城市運(yùn)行和決策部門的日常管理、設(shè)計(jì)施工、分析統(tǒng)計(jì)、發(fā)展預(yù)測(cè)、規(guī)劃決策等提供多層次、多功能、各種綜合服務(wù)的地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)，已經(jīng)成為城市發(fā)展的迫切需要，而管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性更是這個(gè)系統(tǒng)的重中之重。因此，在地下管網(wǎng)探測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇合理的技術(shù)，進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，切實(shí)保證探測(cè)的效果。

一、城市管線簡(jiǎn)介

地下管線是指埋設(shè)于地下(水下)的各種管(溝、巷)道和電纜的總稱。地下管線的種類較多，埋設(shè)方法與工藝方法不盡相同。根據(jù)地下管線的用途或性質(zhì)不同，可以分為以下幾種:給水、排水、燃?xì)狻㈦娏?、電信?光)纜、供熱、人防通道、工業(yè)管道。按照材質(zhì)的不同，又可分為由鑄鐵、鋼材等金屬材料構(gòu)成的金屬管道;由銅、鋁等金屬材料構(gòu)成的金屬電纜;由光纖材料構(gòu)成的非金屬線纜;由陶瓷、水泥、塑料非金屬材料組成的非金屬管道;由鋼筋作為骨料構(gòu)成的水泥管、墻體。

根據(jù)埋設(shè)方式不同，可分為以下幾種:架空敷設(shè)、直埋敷設(shè)、地下管溝敷設(shè)、共同溝敷設(shè)、非開挖敷設(shè)。非開挖技術(shù)又稱水平定向鉆探技術(shù)(horizontal directional drilling)，即非開挖敷設(shè)地下管線施工技術(shù)。它是傳統(tǒng)管線施工技術(shù)的一次革命，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全，它不破壞環(huán)境、不阻斷交通、不擾民，不破壞已有建筑物或構(gòu)筑物，具有較高的文明程度。地下管線非開挖方式敷設(shè)一般分頂管施工和定向鉆穿越兩種，埋深一般在幾米至十幾米之間，有的甚至達(dá)幾十米。

二、城市管線探測(cè)的任務(wù)

管線探測(cè)目的是查明各種管線的敷設(shè)狀況、投影位置和埋深、管線類別、材質(zhì)、管徑規(guī)格、載體性質(zhì)、電壓(壓力)值、電纜條數(shù)、管塊孔數(shù)、權(quán)屬單位、附屬設(shè)施等。它包括管線探查和管線點(diǎn)測(cè)量，管線點(diǎn)包括明顯管線點(diǎn)(實(shí)地可直接定位的點(diǎn))和隱蔽管線點(diǎn)(實(shí)地看不見(jiàn)的管線點(diǎn)，也就是必須通過(guò)探測(cè)或其他方法定位的點(diǎn))，并最終生成綜合管網(wǎng)圖及數(shù)據(jù)庫(kù)。

三、綜合管線探測(cè)技術(shù)

鑒于地下管線埋設(shè)方式及材質(zhì)的多樣性，單一的物探方法有一定的局限性，不能滿足管線探測(cè)要求。綜合管線探測(cè)技術(shù)是指在城市管線探測(cè)中針對(duì)某一工程采用多種探測(cè)手段相結(jié)合的方法，探測(cè)清楚該工程區(qū)域內(nèi)所有地下管線。根據(jù)地下管線的不同埋設(shè)方式及不同材質(zhì)，主要應(yīng)用以下幾種管線探測(cè)方法。

1．電磁法

1)工作原理:電磁法即常規(guī)物探儀探測(cè)方法，是探查地下管線的主要方法，是以地下管線與周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性差異為主要物性前提，通過(guò)發(fā)射機(jī)在發(fā)射線圈中提供的諧變電流(一次電流)在地下建立諧變磁場(chǎng)(一次場(chǎng))，地下管線在諧變磁場(chǎng)的激勵(lì)下形成二次電流，然后通過(guò)接收機(jī)的接收線圈來(lái)測(cè)定二次電流所產(chǎn)生的諧變磁場(chǎng)(二次場(chǎng))來(lái)推測(cè)地下管線的存在和具體位置。當(dāng)?shù)叵鹿芫€與周圍介質(zhì)之間電性差異明顯且管線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于管線埋深時(shí)，探測(cè)效果明顯。

2)可解決的管線定位問(wèn)題:其主要探測(cè)目標(biāo)為埋深小于3 m的金屬管線和電纜，對(duì)有出入口的非金屬管道(如排水管)配合可進(jìn)入管道內(nèi)的示蹤器，也可以進(jìn)行探測(cè)。

3)應(yīng)用電磁法探測(cè)地下管線常用的工具為管線探測(cè)儀，方法有:直接法、夾鉗法、感應(yīng)法和示蹤法。

4)精度分析:平面位置0．1 h，埋深采用70%法0．15 h。

2．導(dǎo)向儀法

1)工作原理:將帶場(chǎng)源的防水探棒(磁偶極子)置于所需探測(cè)的管道內(nèi)，在其周圍空間產(chǎn)生一次交變磁場(chǎng)，由地面上的接收機(jī)接收探棒產(chǎn)生的磁場(chǎng)水平分量，進(jìn)而確定待測(cè)管道的空間位置。

2)可解決的管線定位問(wèn)題:可解決有空孔的一束非金屬管線的空間定位問(wèn)題。

3)探測(cè)條件:對(duì)套管及排管敷設(shè)的深埋線類管線要有預(yù)留孔，對(duì)拉管施工的管線需挖出拉管部分的一側(cè)端點(diǎn)，保證管內(nèi)沒(méi)有異物，導(dǎo)向儀探棒能順利通過(guò)。

4)精度分析:如無(wú)明顯干擾精度可達(dá)0．15 h，干擾較大時(shí)應(yīng)與其他探測(cè)手段互相校核。

3．陀螺儀管道測(cè)繪方法

1)工作原理:陀螺儀管道測(cè)繪系統(tǒng)又稱慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)，是一種推算式的導(dǎo)航方式。通過(guò)慣性傳感器不斷對(duì)載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)載體任意時(shí)刻位置和姿態(tài)的計(jì)算。陀螺儀用來(lái)感應(yīng)機(jī)體相對(duì)于絕對(duì)靜止坐標(biāo)系的角速度或角度變化，通過(guò)反饋或計(jì)算機(jī)的運(yùn)算，加速度計(jì)所測(cè)量的加速度信息就可以在相對(duì)于慣性坐標(biāo)系沒(méi)有角度偏轉(zhuǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)載體相對(duì)于慣性坐標(biāo)系加速度的測(cè)量。然后將導(dǎo)航坐標(biāo)系下測(cè)得加速度信息經(jīng)過(guò)運(yùn)算、解算得到地速信息，地速信息再次運(yùn)算可以得到地面上的位移變化。

2)可解決的管線定位問(wèn)題:可解決孔徑大于90 mm兩端開口的各類管線定位問(wèn)題，不受地形限制和埋深限制。

3)探測(cè)要求:需管道兩端均為開口，且管內(nèi)無(wú)雜物，管徑不能小于90 mm。

4)精度分析:采用陀儀管道測(cè)繪系統(tǒng)的探測(cè)誤差與被測(cè)管道的長(zhǎng)度成正比，管道越長(zhǎng)，誤差越大，大約是管道長(zhǎng)度的0．2%，其誤差的最大點(diǎn)在被測(cè)管道的中部，不受外界環(huán)境干擾。

4．孔中磁梯度探測(cè)方法

1)方法原理:孔中磁梯度探測(cè)技術(shù)是通過(guò)勘測(cè)地磁異常來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性管道定位。磁梯度法通過(guò)探測(cè)的鐵磁性管線在周圍區(qū)域磁異常的變化，分析判斷管線的平面位置及埋深。通過(guò)鉆孔的手段將磁梯度儀下到鉆孔內(nèi)，自上而下測(cè)量鐵磁物質(zhì)在垂直方向上的磁異常曲線變化，為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需重復(fù)測(cè)量一次，觀察其重復(fù)性，這樣可以得到較理想的探測(cè)效果。

2)可解決的管線定位問(wèn)題:可解決深埋金屬管線或含鋼筋的砼管線的空間定位問(wèn)題。

3)探測(cè)條件:對(duì)采用孔中磁梯度法探測(cè)的施工現(xiàn)場(chǎng)，首先了解目標(biāo)管線大致位置及埋深，被目標(biāo)管線上方必須具備鉆機(jī)就位條件，每個(gè)鉆孔的工作面為3 m×3 m工作平臺(tái)，上小型鉆機(jī)就位即可。

4)精度分析:孔中磁梯度探測(cè)技術(shù)的探測(cè)誤差與被探測(cè)管道的深度無(wú)關(guān)，其平面位置誤差與鉆孔的孔間距有關(guān)，一般情況下，最小孔間距是2．0 m時(shí)，平面位置誤差小于1．0 m，深度誤差一般小于0．5 m。

5．地質(zhì)雷達(dá)法

1)工作原理:探地雷達(dá)(ground pentrating/probing radar，GPR)，是通過(guò)對(duì)電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的研究與波場(chǎng)特點(diǎn)的分析，查明介質(zhì)、結(jié)構(gòu)、屬性、幾何形態(tài)及空間分布特征。它由地面上的發(fā)射天線T將高頻電磁波(主頻為106～109 Hz)以寬頻脈沖形式送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)分界面反射后返回地面，被另一接收天線R所接收，而其余電磁能量則穿過(guò)界面繼續(xù)向下傳播，在更深的界面上繼續(xù)反射和透射，直至電磁能量被地下介質(zhì)全部吸收，電磁波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到與周圍介質(zhì)電性不同的管線界面時(shí)產(chǎn)生反射并被接收天線記錄下來(lái)，顯示在屏幕上形成一道雷達(dá)記錄。當(dāng)天線沿測(cè)線方向逐點(diǎn)移動(dòng)探查時(shí)，各道記錄按測(cè)點(diǎn)順序排列在一起，形成一張?zhí)讲槔走_(dá)圖像，通過(guò)分析雷達(dá)剖面圖像中各反射波強(qiáng)度、波形特征及到達(dá)時(shí)間，可推斷地下管線的分布狀況。

2)可解決的管線定位問(wèn)題:可解決深埋深度大的金屬管線或含鋼筋的砼管線及大管徑非金屬管線的空間定位問(wèn)題。

3)探測(cè)條件:為更好地實(shí)施探地雷達(dá)探測(cè)工作，在布置探地雷達(dá)測(cè)線前，應(yīng)通過(guò)收集資料和現(xiàn)場(chǎng)踏勘盡可能詳細(xì)了解探測(cè)目標(biāo)管線的管徑、材質(zhì)及埋設(shè)情況;通過(guò)已探查的明顯管線點(diǎn)、分支管線了解目標(biāo)管線的大致走向、位置和埋深。

四、工程案例

探測(cè)對(duì)象位于天津中心漁港商務(wù)區(qū)，中央大道與漢蔡路交口，緊鄰沿海高速，地形平緩、交通便利。

1．目的與任務(wù)

本次管線探測(cè)工作的目的是配合此處電力頂管穿越施工，探測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)所有管線的平面位置及埋深。據(jù)調(diào)查得知此處存在多條燃?xì)夤芫€、自來(lái)水管線、通信管線、電力管線、路燈及信號(hào)燈等管線，埋設(shè)方式有拉管、直埋，材質(zhì)有鋼、球墨鑄鐵、銅、光纖、PE等材質(zhì)，管徑有DN400、DN600、DN1000等，深度及平面位置不詳?？紤]到施工安全，需要采用綜合物探方法探測(cè)施工區(qū)域內(nèi)管線，為其頂管施工提供科學(xué)依據(jù)。

2．工作方法應(yīng)用

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及調(diào)查，本測(cè)區(qū)存在15處拉管施工管線:包括供電4處，如圖1中(1)(2)(3)(8)所示;天然氣2處，如圖1中(4)(5)所示;路燈4處，如圖1中(6)(7)(9)(13)所示;電信5處，如圖1中(10)(11)(12)(14)(15)所示。其余均為直埋管線。

圖1

1)對(duì)直埋的金屬管道采用常規(guī)物探手段(RD8000管線探測(cè)儀)探測(cè)其平面位置及埋深，如常規(guī)直埋敷設(shè)的自來(lái)水、燃?xì)?、電信、電力、路燈、信?hào)燈等管線。

2)對(duì)電信及信號(hào)燈等深埋線類管線，圖1中(6)(7)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)處采用導(dǎo)向儀探測(cè)其平面位置及埋深，探測(cè)結(jié)果以(12)為例，成果見(jiàn)表1。

表1

3)對(duì)拉管施工的電力管線，圖1中(1)(2)(3)(8)先用常規(guī)探測(cè)方法找到拉管大致起始位置，通過(guò)開挖，將兩端管口露出，然后采用陀螺儀管道測(cè)繪系統(tǒng)及導(dǎo)向儀來(lái)確定其平面位置及埋深，實(shí)測(cè)過(guò)程中兩種方法互相校準(zhǔn)。探測(cè)結(jié)果以(2)為例，成果見(jiàn)表2。

4)橫穿漢蔡路兩根高壓燃?xì)夤艿?，圖1中(4)(5)，是深埋鋼質(zhì)管道，先采用RD8000地下管線探測(cè)儀探測(cè)其粗略位置，再采用CCT-4型磁梯度儀結(jié)合100型鉆機(jī)采用孔中磁梯度法和逐漸逼近管線鉆孔的方法各確定3個(gè)點(diǎn)的準(zhǔn)確埋深，根據(jù)該埋深再調(diào)整管線儀的探測(cè)結(jié)果，最終確定管線的平面位置和埋深。探測(cè)結(jié)果以(4)為例，成果見(jiàn)表3。

3．探測(cè)精度分析

本工程探測(cè)精度對(duì)常規(guī)敷設(shè)管線，其精度參照專業(yè)相關(guān)規(guī)程。對(duì)于深埋管線(拉管或頂管施工管線)精度參考如下:

1)當(dāng)管線分布稀疏，管道之間的平面投影間距＞1．5 m或豎向間距＞2．5 m時(shí)，可以達(dá)到理想效果如下:通過(guò)綜合物探方法，探測(cè)點(diǎn)的精度可以實(shí)現(xiàn)平面位置偏差≤1．0 m，埋深偏差≤1．0 m。

2)當(dāng)管線分布密集，管道之間的平面投影間距＜1．5 m或豎向間距＜2．5 m時(shí)，可能無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)每根管定位，結(jié)果以“管線組”為單位確定其整體平面位置及埋深。

表2

表3

4．成 果

本次管線探測(cè)工程采用了綜合物探技術(shù)，包括常規(guī)物探手段、導(dǎo)向儀物探方法、陀螺儀管道測(cè)繪系統(tǒng)、孔中磁梯度法，并采用GPS衛(wèi)星定位測(cè)量等技術(shù)，測(cè)量手段先進(jìn)，測(cè)量精度較高，成果理想。經(jīng)多次分析本次探測(cè)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論:

1)本工程區(qū)域內(nèi)存在多處拉管施工管線，對(duì)具備探測(cè)條件的管線已進(jìn)行反復(fù)探測(cè)，數(shù)據(jù)理想，無(wú)異常情況;通過(guò)對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為此次測(cè)量數(shù)據(jù)符合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，可作為管線測(cè)量成果提交委托方。

2)提供的成果包括管線圖和數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分，圖上扯旗僅作為參考，準(zhǔn)確的探測(cè)成果必須以管線測(cè)量成果表作為依據(jù)。

3)為保證安全利用地下空間，此區(qū)域有施工作業(yè)時(shí)需避開管線兩側(cè)至少1 m。

4)綜合管線圖經(jīng)委托單位及管線權(quán)屬單位復(fù)核未發(fā)現(xiàn)遺漏問(wèn)題，本工程在成果圖提交后結(jié)合成果報(bào)告開始施工，一個(gè)月內(nèi)施工完畢，未出現(xiàn)任何管線安全問(wèn)題。

五、結(jié)論及建議

綜合物探技術(shù)能夠解決管線探測(cè)中90%的問(wèn)題，避免了市政工程管線施工的很多風(fēng)險(xiǎn)，但也存在未發(fā)現(xiàn)及無(wú)法解決的問(wèn)題，為保證管線探測(cè)質(zhì)量并避免施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)行業(yè)同仁及市政工程施工單位建議如下:

1)由于目前管線材質(zhì)及埋設(shè)方式的多樣性，管線探測(cè)難度大，綜合物探技術(shù)能夠解決的問(wèn)題包括:埋深小于3 m的金屬管線和電纜探測(cè)問(wèn)題;對(duì)有出入口的非金屬管道(如排水管)，有空孔的一束非金屬管線的空間定位問(wèn)題;孔徑大于90 mm兩端開口的各類管線定位問(wèn)題，不受地形限制，埋深限制;深埋金屬管線或含鋼筋的砼管線的空間定位問(wèn)題。本文中提出的探測(cè)方法應(yīng)互相校核，以確保探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)由于目前物探方法的局限性，一些特殊管線在現(xiàn)場(chǎng)難以發(fā)現(xiàn)，包括無(wú)附屬物的非金屬管線、導(dǎo)電性極差的新型管線、無(wú)井無(wú)感應(yīng)信號(hào)的通信管線、未通電或弱電的電纜、深度過(guò)大或拉管頂管在測(cè)區(qū)沒(méi)有出地點(diǎn)的管線。針對(duì)以上情況，管線測(cè)繪單位在出圖后應(yīng)與甲方及施工單位進(jìn)行管線圖說(shuō)明，同時(shí)與相關(guān)管線權(quán)屬單位溝通，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，管線探測(cè)單位應(yīng)及時(shí)采用相關(guān)探測(cè)手段到現(xiàn)場(chǎng)解決。如采用探測(cè)手段無(wú)法解決應(yīng)在成果報(bào)告中予以說(shuō)明。

3)由于地下管線的建設(shè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，管線成果只是截止提交日期前測(cè)區(qū)管線的實(shí)時(shí)反映，項(xiàng)目施工可能是一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段，在此期間地下管道可能會(huì)有新增及拆除現(xiàn)象，為了避免施工損壞新建管線，建設(shè)單位應(yīng)盡快施工或在施工前進(jìn)行復(fù)測(cè)。

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