综合物探技术在城市水务工程中的应用和展望

顾小双

(上海山南勘测设计有限公司，上海 201206)

0 引言

目前，综合物探技术在市政工程中已得到了广泛应用，但在城市水务工程应用中起步较晚。根据上海市水务“十三五”规划安排，到“十三五”末，上海基本建成与“四个中心”和社会主义现代化国际大都市定位相适应的现代水务服务保障体系，努力实现供水服务安全优质、防汛保障完备可靠、河道环境生态良好等发展目标[1]。随着上海城市更新的推动力不断加大，水利工程从传统防洪排涝逐步向滨水空间、环境生态功能转变，工程建设地点也从郊区、空闲用地或江河口逐步向城市中心城区转移，管线搬迁和原有地下空间结构对方案布置和投资的影响越来越大[2]。综合物探方法能够快速布置、高效实施，且具有安全经济的特点，是掌握地下管线和障碍物资料十分有效的技术手段[3]。工程物探技术是以探测目标与周围地层存在的物性差异为前提，通过观测和分析异常地球物理场来解决工程地质相关问题，通常用于以下几个方面的岩土工程勘察：(1)了解暗浜(塘)、钢渣填土等地质界线，地下障碍物、旧基础分布及检验复合地基加固效果；(2)探测地下管线、地下设施或障碍物等；(3)探查基础裂缝；(4)测定岩土体波速、土层电阻率等。本文重点研究综合物探技术在城市水务工程中地下管线和障碍物探测中的应用问题。

1 地下管线及障碍物常见类型

随着上海城市功能的不断完善，地下管线类型也不断增加。上海水务工程中涉及到的常见地下管线已经达到30余种，根据其用途划分为排水管道、燃气管道、供水管道、通讯管线、工业、热力以及电力管线等；按管线材质分为金属管线、砼制管道以及新材料如PE管线等；埋深从0.5 m左右至几十米等。由于非开挖管线埋深变化大，路由不规则，管线明显点出露少。采用钻探、开挖样洞需要破坏地面路面，施工成本、影响面较大，不具备全工程区域实施的可能性。

上海建城历史悠久，地下空间开发较早，地下建筑物等所产生的障碍物种类特别复杂。水务工程中主要涉及各类建(构)筑物、市政、交通、其他水利工程等设施基础形式及围护结构以及军用设施、废弃结构等。地下障碍物勘察可以采用资料调查、实地测绘、钻探和物探等多种方法进行。但实际存在多种不可控或不确定因素，如较多建筑物建设年代久远，资料缺失或不齐；实地测绘仅能测绘表面现有构筑物，地下结构需要推测；钻探存在只能局部了解，对原结构可能破坏的缺点。

物探工作具有高效、快速、经济等优点，既可以满足水务工程规划阶段的管线综合需要，又能为实施阶段设计方案布置和安全施工提供服务，在解决障碍物勘察难题中可以发挥独特的作用。

2 综合物探技术方法应用

2.1 电磁感应法

电磁感应法是工程管线探测中常用的一种方法。其原理是：当管线仪接收机中的水平线圈在通电导线的正上方时，信号最强，由此判断管线平面位置，利用接收机不同高度的两个水平线圈的测量值和高度差，用d=xEt/(Eb-Et)计算出管线深度。该方法操作方便、应用范围广，优点是探测效果好、效率高，缺点是只能用于浅埋段的电缆和金属管线探测，不适用于非金属管线和埋深较深的管线。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是电磁感应法在时间域的延伸，它利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在其间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。该方法不受现场场地条件影响，异常响应强，形态简单，分辨力高，剖面测量和测深工作能同时完成，且不受高阻层的屏蔽影响，能穿透高阻层，结合空间多次覆盖技术，可提供更多有用信息。

2.3 地质雷达法

地质雷达法是通过发射天线以宽频带短脉冲形式向地下发射电磁波，地下介质将一部分电磁波反射回地面，并被接收天线所接收，地质雷达所接收的信号就是地下介质所反射回来的电磁波信号，当遇到电性差异较大的界面或目标体时通常产生较强的电磁波信号，通过分析反射电磁波信号的能量、频率等不同参数，区分地下异常体的具体情况。地质雷达法具有快速、高效的优点，但探测效果受天线频率制约和环境干扰因素影响较大[4]。

2.4 高密度电法

图1 高密度电法探查障碍物示意图

2.5 导向仪法

导向仪信标(也称传感器)发出特定频率的电磁波信号，通过在地面上探查该信号的强度与分布即可知其深度与位置。探测前先选择场地探测条件干扰少的位置，接收器和信标(即传感器)进行单点校准，校准后再进行定位检查，一般将接收器平行放在距传感器3.0 m或6.0 m处，检查实际探测距离，满足精度要求才可施测。(见图2)

图2 导向仪法探测示意图

2.6 惯性陀螺仪法

针对穿越道路、河道的非开挖管线，由于现场施工条件的限制(例如水域部分)或埋深超过导向仪有效探测范围，宜采用惯性陀螺仪法解决。惯性陀螺仪探测，无需探测人员进行地面追踪，不受场地条件、交通、天气和光线等因素影响，对管线材质、管线埋深和周围地质条件无限制，相对其他方法而言，测量精度较高。但同时，陀螺仪存在需要有预留空孔、仪器相对较昂贵等不足。

2.7 井中探测法

井中探测法目前使用较为广泛的有井中磁梯度法和跨孔电阻率CT法。

(1)井中磁梯度法

井中磁梯度法对于超深金属管线和地下障碍物探测效果较好。施测时，首先将磁力梯度设备安置于钻孔中，通过磁梯度仪对地下金属管线(或带有金属介质的地下障碍物)进行测量，获取其在竖直方向上的变化信息[6]。磁梯度曲线显示，相对背景场含铁磁性的目标体表现出高磁异常，根据这些变化就可以确定地下管线或者障碍物的分布情况。

(2)跨孔电阻率CT探测法

跨孔电阻率CT是将带一定间隔数量电极的多芯电缆同时布设在两个钻孔中，多芯电缆连接地面主机，两井电极形成井间电极阵。数据采集时，在两组电极中各选一个电极作为供电电极A和B，测量任意电极N与测量电极M组合间电流、电压数，与地面阻率探测相比，电阻率跨孔CT探测方法操作相对方便，但会受地下环境干扰影响，目前应用尚不广泛。未来随着技术的改进，在精细探查、非金属管线探测、地下空洞探测等方面具有良好的应用前景。

3 应用案例

以某大型污水处理厂污水调蓄池提标改造工程为例，通过探查工程范围内的地下管线和地下障碍物，为工程设计和施工提供依据。主要包括污泥暂存场水泥界面深度及分布、路面下沉探测、地下箱涵基础探测、跨河非开挖管线探测以及河岸基础探测。

地下管线探查在充分搜集和分析已有资料的基础上，采用实地调查和仪器探测相结合的方法进行。明显管线点采用实地调查和量测的方法，隐蔽管线点采用仪器探测的方法，其中金属管线主要采用管线探测仪探测，非金属管线主要采用地质雷达、导向仪法和惯性陀螺仪法探测。障碍物探测亦在充分搜集和分析已有资料的基础上，因地制宜采用合适的物探技术(地质雷达、高密度电法、磁梯度)进行探测或验证。

3.1 污泥暂存场水泥界面深度及分布情况

因污泥含水饱和，雷达波衰减迅速，探测深度不足，且不能分辨出水-泥、泥-池底分界面；高密度电法电极需要同介质耦合，因污水池表面包裹一层厚塑膜，测试无法实施。瞬变电磁法无需对厚塑膜进行破坏，无需爆破或锤击震源，探测深度大，对水-泥、泥-池底界面分辨明显，满足项目探测需求。瞬变电磁法探测反演成果见图3，电阻率等值线规则、稀疏、完整，能有效反映出水-泥界面在1.85～1.90 m，池底界面在 5.20～5.45 m。

图3 瞬变电磁法探测反演成果图

3.2 路面下沉探测

该路段地层主要由粉土、粉砂和淤泥质粉质黏土组成，初步分析得知某段排水管道损坏渗水导致路面以下土体流失。施测时采用瑞典MALA MIRA三维探地雷达，地质雷达测线垂直/平行于塌陷区排水管道走向，中心频率400 MHz天线采用沿测线测量轮方式探测，根据现场试验获得如下技术参数：采样频率6000 MHz，间隔5 cm，时窗90 ns，2次叠加覆盖。从图4可以看出，在距离起点404～410 m段埋深0.5～1.2 m处反射波同相轴呈现凹陷形态，同相轴部分错断，据此推测该处地层出现塌陷。后期经钻探验证，在该段路面埋深0.6 m处发现空洞，采用注浆填充进行处理。

图4 地质雷达剖面影像图

3.3 地下箱涵基础探测

一条宽约4000 mm的箱涵，埋深不详，地下地质情况复杂，明显点较少，水流速度慢，干扰源丰富，为物探法探测带来极大难度。采用地质雷达法探测，在1.0 m以上还可分辨出地层和部分异常特征；1.0 m以下电磁波穿透能力逐渐变弱，所得影像模糊，难以分辨出异常物体。因此选用高密度电法进行探测。从高密度电法探测断面成果可见，场地视电阻率自上而下呈层状分布，表层及上部电阻率高，随着深度增大，视电阻率逐渐减小(见图5)。浅部高阻区呈多个封闭状，且不规则间断分布。综合分析认为，表层及浅层范围的高阻区由建筑垃圾、房屋基础和地板、道路基础及路面引起，埋深0～1.0 m；在2.0 m以下，视电阻率明显变小，等值线规则平滑，表明深部土层较均匀、完整，含水率较大。在断面12—18测点之间存在一明显高于周边的高阻方形区，在3 m以下又与周边范围没有差别，由此可推断此处为箱涵的位置(见图5)。通过开挖得到证实，与解译结果一致。

图5 高密度电法探测断面成果图

3.4 跨河非开挖管线探测

一输电专用缆，等级较高，跨河埋设，长约250 m，由于导向仪随着目标管线埋深的增加其探测精度降低，位置误差可达2.5 m左右，不能满足设计需求。需要提高探测精度以评估该电力管线对污水总管的影响，从而制定搬迁或保护方案。为此，采用Reduct ABM-90陀螺仪，利用空孔进行探测。先后采集了两个来回，共计4条数据进行均值处理，均方误差小于0.5 m，成果见图6。

图6 陀螺仪探测成果图

3.5 河岸基础探测

井中磁梯度法探测厂区西北侧的河岸基础。磁梯度探测采用CCT-4型磁梯度仪，点距0.1 m，测孔深度19 m。磁梯度探测曲线的成果如图7所示，测孔4.0 m以上测值明显较大，从4.0 m以下测值强度逐渐衰弱，因此可以判断，河岸加固基础埋深4.0 m左右，探明了河岸基础的深度。

图7 河岸基础磁梯度探测成果图

4 结论与展望

(1)在复杂城市环境下建设水务工程，采取综合物探方法掌握各类地下管线及地下障碍情况，对于工程线路的优化布置、设计方案的经济合理性和施工安全起到了重要作用。物探方法在水务工程上的应用弥补了传统勘察方法的缺陷和不足，也推动了物探技术本身的进步和发展。

(2)探测环境复杂和PE等新材料应用与仪器设备局限矛盾是目前物探技术应用的难点。物探设备和科研单位应研发更多抗干扰强的通用物探设备，增强探测能力；技术承担单位应会同相关单位利用大数据、人工智能、BIM应用平台等进行物探技术融合，综合解决物探难题。

(3)物探技术从满足水务规划设计、施工逐步朝向工程全生命周期的“健康诊断”方向发展，最终培育形成综合性“水利工程医院”及“水务工程生态健康体”。