无损物探技术在超长距离盾构轴线定位的研究与应用

李呈旸

（上海市基础工程集团有限公司，上海 200433）

0 引言

随着施工技术的发展，目前在市政隧道及公路隧道中使用盾构法进行隧道施工越来越多。盾构法隧道是由盾构掘进机在土体中掘进完成施工，盾构机掘进机是由一个盾牌型刀盘切削土体，由圆柱状钢壳提供工作面保护，依靠在钢壳内拼装成环的管片给于呈圆周状布置的千斤顶组提供支撑，然后由千斤顶向前推进，从而实现在土体内前进的大型隧道施工机械。在地下作业的过程中，盾构机的运动轨迹将基本形成地下隧道走向的实际轴线，工程要求隧道的实际轴线偏差符合设计及相应规范的规定要求，以保证隧道工程的质量，从而保障地下隧道竣工后的营运安全［1］。同时，盾构法隧道在最终到达接收井时，必须准确地进入到预设的钢洞门圈内，否则会造成巨大的安全风险和经济损失，甚至重大质量事故。因此盾构法隧道施工必须要严格按照设计轴线准确控制盾构机的实时位置，确保后续成型后的隧道符合设计要求，最终指导盾构机准确穿过钢洞门圈进入接收井。而指导盾构机前进方向，需要盾构施工测量技术，在隧道施工中如何对超长距离盾构隧道进行精确定位是目前急待解决的问题。

1 技术现状及技术难点

1.1 技术现状

现有的测量技术大致分为两种，一是将地面坐标通过竖井联系测量传递到隧道内，并在隧道内布设支导线，利用支导线的数据测量盾构机布设在盾构纵轴方向上的测量标志，最后根据测量标志与盾构机头部尾部中心的关系，计算出盾构机的头部、尾部中心的三维坐标，比较它们与隧道设计轴线之间的偏差，从而指导盾构机很好地沿着设计轴线前进，二是采用高精度全站式陀螺仪，全站式陀螺仪可以直接测定隧道内未知边的方位角。

1.2 技术难点

由于施工中存在着测量误差，对于超长距离盾构隧道，当支导线的长度达到超过 2 km 之后，累计的测量误差就会超出隧道设计要求，造成不能顺利进入接收井，盾构隧道工程就存在相当大的风险，造成的损失不可估量。若采用昂贵的高精度陀螺仪且该仪器由于只能做方位复核，不能传递坐标，也不能完全确保隧道百分之百完全贯通。现有技术成本高、效率低，无法适用于超长距离的盾构法隧道。为了解决上述测量技术的不足，提供一种低成本，高效率，成果直观的测量方法，下面介绍一种利用物探技术在上海某超长盾构施工对盾构轴线定位研究及应用情况。

2 超长距离盾构轴线定位的探测方法

2.1 研究内容

2.1.1 物探方案研究

通过对盾构隧道施工工艺及物探原理及物探精度的调查研究，利用探地雷达对金属物体会形成强烈反射波的特性，结合现有测斜及测量技术方法，研发了一项针对超长距离盾构轴线无损定位探测系统及方法。设计了一套可用于超长距离盾构轴线定位的探测装置，包括：预埋装置、电磁波信号收发装置、隧道内探测装置、定位测量装置，如图 1 所示。

图1 预埋装置示意图

1）预埋装置：预埋测斜管、实心铁球、角反射器、电缆线回路。

2）电磁波信号收发装置：管线仪。

3）隧道内探测装置：探地雷达、探测板。

4）定位测量装置：测斜仪、测量架、棱镜。

2.1.2 物探方法流程

物探方法的流程，如图 2 所示。

图2 探测方法流程图

1）拼装预埋测斜管，实心铁球固定在预埋测斜管底部，角反射器安装在实心铁球中心位置，安放并固定预埋测斜管至预埋孔位。安装固定测量架，架设棱镜于预埋测斜管顶部中心位置，并测出棱镜的三维坐标，测斜仪测出预埋测斜管的方向及斜率，并计算出棱镜与预埋测斜管底部中心偏差，得到下方铁球中心位置坐标。

2）连接电源和变压器，电磁波信号发射装置通过夹线接入电缆线，开启电磁波信号发射装置。在盾构隧道内相同里程管片周边，先使用电磁波信号接收器探测缠绕预埋测斜管底部铁球上电缆线的大致位置。

3）将管片填充物和探测板固定至管片顶部。测量出探测板四个角点上 L 型棱镜三维坐标及待测管片的三维坐标，确定管片实测中心轴线。

4）确定好起始位置后，探地雷达进行探测，先在从左至右完成一次管片环向探测，从后向前完成第二次管片竖向探测，形成网格通过雷达层析图分析出预埋测斜管底部实心铁球和角反射器与探地雷达起始位置的距离，定位做好标记测出该位置的三维坐标，计算出与待测管片的中心的偏差值，最终得到实测管片中心与设计轴线的偏差。

2.2 工作原理及方法

2.2.1 测斜仪的工作原理及方法

测斜仪的基本工作原理是土体深部水平位移测试采用测斜仪，它是可以精确地测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器。基坑变形观测通常采用滑动式测斜仪，主要由测斜管、探头、电缆和主机四部分组成。工程应用时，首先在土体（桩型体）中预埋测斜管，土体（桩型体）发生变形位移后，整个测斜管也产生相应变形，测斜探头滑轮顺槽逐点测试，可精确测出水平位移量。根据位移量的大小，做出预报，指导施工。

测斜仪的工作原理是量测仪器轴线与铅垂线之间的夹角变化量，使用程序进行分析，进而计算出岩（土）体不同高处的水平位移。按测点的分段长度，分别求出不同高程处水平位移增量，从测斜管底部测点开始逐渐累加，可以得出不同高程处的水平位移，利用测斜仪测读的数据，进行位移、倾角的物理量测［2］。

2.2.2 管线仪的工作原理及方法

管线仪的理论原理是根据电磁理论，交变的电流在空间产生变化的磁场，其关系满足安培环路定律。如果周围是均匀介质，加载交流电流的导体足够长、直时，在该导体周围产生一个同轴的交流电磁场，磁场强度的大小正比于电流，反比于到导体的距离。如将一线圈置于这个磁场中，在线圈内将感应产生一个同频率的交流电压，感应电压的大小取决于该线圈在磁场中的位置，当磁力线方向与线圈轴向平行时，线圈感应的电压水平分量呈极大，当线圈轴向与磁力线方向垂直时，感应的电压水平分量最小，为极小值，探测仪正是利用这一特点实现埋于地下的管线的路由查找。

管线仪基本使用方法：发射机的信号发送连接方式：直连法、耦合法、感应法；接收机的三种工作方式：波峰法、波谷法、跨步电压法［3］。

根据现场实际探测条件所需我们选择采用直连法，发射机红色接线端直接连接到预埋管上的电缆线，另一端接地。此种方法产生的信号比较强。位于隧道内的接收机使用波峰法：波峰法是用水平线圈接收电磁场水平分量的强度。对预埋于测斜管底部的线圈进行峰值检测来说，在待测目标正上方时，当接收机的正面与电缆线垂直时磁场响应强度大，线圈所在的磁场强，还因为此时磁场磁力线的方向与线圈的平面垂直，通过线圈的磁通量大。当接收机向电缆线两侧延伸检测时，磁场响应强度对称且逐渐减小。通过线圈的磁通量变小，从而产生如山峰一样的信号响应。因此通过峰值最高点来确定预埋管底部缠绕在铁球上电缆线圈的的位置是比较可靠的。

2.2.3 探地雷达的工作原理及方法

高频的电磁波以宽频带短脉冲形式由发射天线定向送入地下，以存在电性差异的地下地层及目标体反射后回地面，并由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构。

地下介质具有不同的物理特性，如各类介质的介电性、导磁性及导电性差异，对电磁波具有不同的波阻抗，发射入地下的电磁波在穿过各地层及管线等目标体时，由于界面的波阻抗不同，电磁波在不同介质的界面上会发生折射和反射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波时、幅度及波形资料，可以推断地下各类介质类型与埋深［4，5］。其具体工作原理如图 3 所示。

图3 探地雷达工作原理图

常见介质的相对介电常数如表 1 所示。

表1 常见介质介电常数表［6］

根据探测现场探测的位置在盾构隧道管片外上部 1～2 m 区域。探测有部分土层，在现场实测时，同步注浆已经完成，原状土淤泥质粉砂层，因此估计其介电常数约为 16，管片的厚度为约为 28 cm。选用频率为400～800 MHz 的探地雷达天线最为合适。

3 应用实例及分析

3.1 工程背景

上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟 LNG 站管道工程隧道 B 线主体隧道为内径 3.4 m 的越江隧道，该工程采用盾构施工工艺，单次掘进长度达 6.931 km，如此小口径、超长距离越江隧道工程在盾构隧道施工领域尚属首次，其施工难度及风险极大，对施工设备、技术、管理等综合施工水平提出了极高挑战。

工程地质情况：本工程地基土属第四纪晚更新世及全新世沉积物，主要由黏性土、粉性土和砂土组成，分布尚稳定，可划分为 8 个主要土层。其中，第①0-2、第②3 层以及第③2 层以粉性土、砂土为主，在动水力作用下易产生流砂、管涌等不良地质现象，基坑开挖时需引起注意。第④层淤泥质黏土、第⑤1-1 层黏土及第⑤3-1层粉质黏土，土质软弱，具有流变和触变特性，开挖过程中应尽量减少土体扰动。

3.2 仪器选择

主要仪器选择如表 2 所示。

表2 主要仪器汇总表

3.3 测点及布设

3.3.1 地面雷达探测试验

试验使用 CrossOverPLT600 在地面上进行铁球探测试验；使用隧道施工相同规格、相同材质管片，将管片侧向放置在空地上，管片凸面处堆放实际隧道施工中相同深度的原状土，堆放土体长 2 m、宽 2 m，高 1.35 m 与侧向放置管片高度齐平，如图 4 所示。

图4 地面试验示意图

使用铁球直径为10、15、20cm；探测距离为160 cm、200 cm；探测步距为 1、2、3 cm；正反测线共计 44 条。试验目的：研究探地雷达探测铁球偏差精度，探地雷达探测铁球最佳距离，以及预埋铁球的最佳直径。试验成果结论：单次成果铁球位置偏差在 13.3 cm，通过对正反测线进行取平均值后，铁球位置的偏差基本可控制在 10 cm 以内（见表 3）。

表3 管片外铁球物探定位成果表 cm

成果优化：根据多次探测数据比较，铁球直径大小在 15 cm，探测距离在 160 cm，探测步距为 1.5～2 cm时探测数据精度较高，正反测线与铁球位置的偏差较稳定。相对偏差可控制在 5 cm。

3.3.2 隧道内雷达探测试验

在盾构隧道内 281 环、282 环、283 环进行铁球预埋实地探测试验如图 5～7 所示。

图5 实地探测试验示意图

图6 地面预埋点示意图

图7 现场实地探测照片

使用铁球直径为13cm。探测距离：架设模板为200 cm，直接贴合管片为 180 cm；探测步距为 2 cm；正反测线共计 21 条；取有效测线 7 条。试验目的：总结借鉴地面试验成果，在实际工况下，探索电磁波雷达探测隧道轴线偏差的精度。试验实施：沿隧道轴线精准定位三个点位，位置如图 5 所示；将铁球固定在测斜管底部，打设测斜孔，将铁球放置于隧道上方 1.5 m 处；对测斜管进行垂直度测量，计算出铁球精准坐标；在隧道内利用探地雷达探测出铁球与隧道位置关系，计算出隧道轴线坐标。

试验成果结论：利用管线仪探测，三处铁球位置偏差大致在 30 cm 范围以内，只能作为初探铁球位置的大致定位；探测板探测：单次成果除 282 环铁球位置偏差在最大 26.6 cm，281 环和 283 环铁球位置偏差在最大 10 cm；直接贴着管片进行探测：通过对正反测线进行取平均值后，铁球位置的偏差可控制在 10 cm 以内（见表 4）。

表4 281 环至 283 环隧道外铁球物探定位成果表 cm

成果优化：根据多次探测数据比较，由于本次探测距离在 170 cm 至 200 cm，铁球直径在 13 cm，所测成果与铁球位置的偏差也相对比较大，由于管片是错缝拼装，通过观察管片上的预留孔内有金属内衬再加上探测距离和铁球大小相对缩小对本次探测精度会有比较大的影响，建议铁球直径大小可在 15～17 cm，探测距离应小于 170 cm，探测步距为 2 cm 时探测数据精度较高，正反测线与铁球位置的偏差较稳定。相对偏差可控制在 10 cm。

3.3.3 长距离隧道 6 km 处隧道内雷达探测

在盾构隧道内 5 020 环、5 024 环进行铁球预埋实地探测如图 8～10 所示。

图8 实地探测示意图

图9 斜管照片

图10 隧道内探测照片

使用铁球直径为 17 cm，探测距离为 150 cm，探测步距为 2 cm，正反测线共计 32 条，取有效测线 4 条。成果汇总：成果三维坐标如表 5 所示；成果数据偏差如表 6 所示。

表5 成果三维坐标 m

表6 成果数据偏差 cm

成果结论：先利用管线仪探测，5 020 环和 5 024 环两处铁球位置偏差大致在 30 cm 范围以内，只能作为初探铁球位置的大致定位；直接贴着管片进行探测：分别用 400 Mhz 和 600 Mhz 天线雷达对管片进行正反测线定位点取平均值，最终通过套管法验证 5 020 环铁球位置与实际三维坐标偏差偏左 8.2 cm，5 024 环铁球位置与实际三维坐标偏差偏左 1.5 cm。

4 结语

本技术采用预埋探测目标体在超长距离盾构隧道中结合无损物探技术反向探测，不仅确定目标体平面位置，还能将平面误差控制在 10 cm 以内，但是探测的数据离散型较大，无法对测量的偏差做到精准的评估。从目前探测的最大偏差、偏差精度等数据的采集量较少，精度完全可满足钢套管旋挖开孔测量的定位需求。本技术在背景工程中的成功应用，证明了用本技术能对超长盾构隧道轴线进行定位的可行性。因此，相信通过探测技术改进及提高精度后在以后类似的超长距离盾构工程中可以将此技术进行推广和应用。通过研究与应用，采用无损物探技术对预埋目标体的探测，应注意以下几点。

1）采用探地雷达进行无损探测是一种相对快速便捷、对施工影响减少到最小的探测技术方法之一。

2）在进行对目标体探测时，可先采用综合探测方法，如电磁法，振动波等对待测目标进行粗定位后，后续采用探地雷达对待测目标体进行实时探测，对采集到的电磁波波形进行判断，如发现有异常反射，可以进行重复探测及采用不同的探测方式，确保探测的准确性。

3）通过前期试验探地雷达如采用 400 MHz 和600 MHz 天线可对隧道内土层 2 m 的范围内的直径大小在 17～20 cm 的预埋铁球位置做出较好的判断。相同的地质状况情况下，可能会有类似的雷达图像，因此可结合前期的试验所探测的类似图像，提高判断准确性。

4）由于实际现场施工的工况情况，探测场地的大小等条件，不仅增加了探测工作的难度，也对探测的结果会有相应的影响。探测过程中经常会有其他的干扰因素，如管片预埋件、隧道内电缆、以及离探测面较近的金属结构件等，应当正确识别干扰并得到相对正确的分析结果。

5）无损探测技术在盾构隧道内探测目标体的技术应用目前还不是很多，虽然准确率和探测精度还有待提升，但对研究其对超长盾构隧道轴线定位乃至隧道内导线偏差的纠正都有着非常重大的意义。Q