综合探测方法在顶管定位中的应用

李育强，潘喜峰，朱能发

(天津市勘察院，天津 300191)

1 引 言

顶管法作为城市管道施工非开挖施工常用手段之一，顶管多为始发基坑至接受基坑垂直顶进，因此为保证躲避其他浅埋管线等障碍物顶管深度较大。顶管施工多用于穿越河流、铁路和高速公路等障碍物，穿越地表不留痕迹，且燃气、电力等保护管顶管管径大于实际使用管道，无法通过激发阴极保护桩、阀门井等常规电磁法探测对顶管部分加载信号。探测人员往往通过搜集施工资料、竣工图来判断大致位置。如果后期存在同路径的其他顶管施工或者地铁盾构施工则需要更加精确的位置及埋深。本文采用地震映像法确定目标管线大致区域，再利用磁梯度法精确探测顶管管道位置及埋深，两种方法结合快速高效探测。

2 地震映像法理论

高密度地震映像法激发和接收器之间是等距的，寻找最佳偏移距是形成清晰图像的关键因素。该方法多用于探测具有一定截面大小的管道或井室等探测。探测时炮间距选择应考虑到目标体埋深，多次改变炮间距及稳定激发能量大小是成果获取图像的关键。多为断面图的成图效果，因此测线也应垂直于目标体，形成截面图像。其工作原理如图1所示。

图1 地震映像工作原理示意图

地震映像前提是地下介质密度、速度、泊松比等弹性特征参数具有差异。波在传播中，如遇到岩体介质波阻抗Z(Z=ρVc)发生变化的界面时，入射的弹性波就在这个界面上产生透射和反射，即一部分弹性波透过界面继续往前方传播即透射波，而另一部分弹性波则从界面上反射回来即反射波。检波器采集反射波的能量和时间绘制地震映像剖面图(图2)。

图2 地震映像法模型及简化波形图

3 磁梯度法理论

磁梯度法是将要探查的铁磁管道等效为一个在其周围区域分布强感应磁场的无限长水平圆柱。通过观测垂直分量Za的梯度值的数值大小，可以判断目标管道的平面位置和埋深，如图3所示。

孔中磁梯度探测技术是通过勘测地磁异常来实现对铁磁性管道定位。通过不断打孔来逐步逼近目标体位置。该方法多用于解决埋深较大的铁磁性金属管道或钢筋混凝土管道的定位问题。

图3 孔中磁梯度外业探测示意图

磁梯度法就是将所要探测的铁磁性管线等效为无限长水平圆柱体，在其周围区域分布有较强的感应磁场，利用磁梯度探头在竖直钻孔中观测其磁异常的变化，探头包含上下两个线圈可以观测垂直分量Za求差值来近似表示Za梯度值，根据场值的分布情况来判定磁异常物的平面位置及埋深。Za及其梯度值的计算公式如下：

(1)

(2)

式中：R为无限长水平圆柱体的埋深，i为有效磁倾角，Ms=Js*S为截面磁矩，Js为有效磁化强度。

4 案例分析

建设单位拟在梅江西路局部自北向南进行排水顶管施工，经调查得知存在一条与顶管路径垂直交叉的 35 kV电力顶管。确保顶管安全施工，经过反复对比本次探测工作采用了地震映像法和孔中磁梯度法进行探测。

4.1 测区分析

工区位于梅江西路与绥江道交口处，地形平缓，场地较开阔，地形平缓，场地相对较开阔，交通极为便利。原电力顶管施工年代久远，设计图纸地形变化较大，现场踏勘对比地形图地物特征无法判断顶管位置。

图4 梅江西路现场照片及电力顶管设计图

设计图中反映该电力顶管穿越道路、绿地和铁路(图4)。顶管为φ1550直径钢筋混凝土管道。结合已有岩土工程勘察资料可知，区内素填土、淤泥质黏土、粉质黏土无磁性；而钢筋混凝土管线属铁磁性物质较强的磁化率，相较于周围土质存在着明显的磁性差异，从而为开展地震映像法和孔中磁梯度法查明该顶管管道提供了必要的地球物理前提条件。

本次工程投入主要仪器为国产SWS-6型工程地震仪，该仪器的高密度地震映像法可以获取信噪比较高的浅层面波图像。采用国产CCT-4磁梯度仪来捕获管道周围磁梯度场值。两种仪器结合使用，地震映像法线快速扫描，在疑似地方磁梯度法钻孔探测排查获取准确管线位置及埋深。

4.2 测线布置

依据电力设计资料图纸对应顶管位置位于现状道路路口南侧(图5)，这一位置与电力运维部门技术人员口述不一致，因此在两处疑似位置都进行地震映像测量和磁梯度探测。

(1)地震映像法：布设南北走向2条断面，AB长度 20 m，CD长度 43 m。

(2)磁梯度探测法：地震映像图像疑似区域处布设16个钻孔。

图5 地震映像探测测线、钻孔空位布置图

4.3 地震映像法探测数据分析

(1)断面A-B分析：

炮间距6 m，点距0.2 m。共计100道数据，断面长度 20 m。通过观察断面图可知，18～28道 50 ms处存在高能量反射区域，但其下部 75 ms处有平行连续高能量反射层，地震波不可能穿过钢筋混凝土管道没有衰减，这区域判断不是管道；59～67道 55 ms和78～87道 50 ms处存在高能量反射区域(箭头指示位置)，疑似目标管道位置，周边波纹不明显，此处是否为目标管道还需要进一步验证。

(2)断面C-D分析：

炮间距6 m，点距0.25 m。共计172道数据，断面长度 43 m。通过观察断面图可知(图6、图7)，79～85道 37 ms处存在波的象限变化现场(箭头指示位置)，且两侧振幅幅值相等处呈现双曲线形态(浅绿色双曲线弧)疑似目标管道位置。此处是否为目标管道还需要进一步验证。

图6 地震映像A-B断面图

4.4 磁梯度法探测数据分析

通过对16个测孔的数据分析，绘制了2个断面的磁梯度测孔曲线，并结合理论模型研究和以往工作经验确定了管线的位置及标高，具体分析如下：

1号断面：

探测12～16号孔。对几个孔的测量数据分析处理，绘制了1号断面曲线，如图8所示。

可以看出孔12～16号孔均在高程0.5(埋深 2.3 m)以上均存在较明显的磁异常，根据这些钻孔曲线形态，推测其为浅部杂填物的反映。

图8 磁梯度法1号断面曲线

2号断面：

如图9所示，可以看出在2号断面6～11号孔均存在处存在磁异常，且8、9号孔遇到不明障碍物，7、10号孔均呈现完整的“S”型磁异常，两侧6、11号孔磁异常逐渐减弱。6、7号孔负值大正值小，判断钻孔位于管道南侧；10、11号孔负值小正值大，判断钻孔位于管道北侧。利用软件计算正演拟合曲线6、8、9、11四条

图9 磁梯度法2号断面磁测曲线

曲线幅值和正负值大小关系都与实测数据基本吻合(图10)。综上所述推测为此处为钢筋混凝土管线的反映，管线中心高程为-2.08。

图10 磁梯度正演曲线图

5 结 论

本项目是综合利用物探方法寻找电力顶管管道的典型案例。地震映像法的快速便捷与磁梯度法的准确性两种物探方法的有效结合。在充分搜集资料的基础上，先利用地震映像法进行初步判断，断面图确定疑似目标管线靶区；再利用磁梯度法对疑似区域钻孔探测，根据管道天然磁场的分布规律，成功判断出管道精确位置及埋深。本次探测数据得到了甲方及设计单位认可，为后期排水管道顶管设计、施工提供有利的数据保障。