地铁建设工程中管线探测方法及应用

余森林

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏 南京 210019)

0 引 言

城市轨道交通具有安全、快捷、准时、大运能、绿色环保等突出特点,对推进城市现代化进程、改善交通运输环境、引导优化城市空间布局、带动城市经济创新发展发挥了巨大推动作用,被各级政府和市民所接受。自北京地铁一号线1969年10月1日建成通车,至今已有50年之久,截止2021年底,我国内地城市轨道交通运营线路累计总里程已到达7 977 km,预计到2025年末将超过1万km,2030年末接近1.5万km[1-4]。目前我国城市轨道交通运营线路规模、在建线路规模和客流规模均居全球第一,我国已成为名副其实的“城轨大国”。

城市轨道交通可划分为地铁、轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁悬浮交通、APM共7种,其中地铁占比最高,截止2020年底,我国内地有地铁的城市已达38座,运营线路总里程6 302.79 km,占比79%[5-7]。

地铁工程建设如火如荼地开展,地铁建设过程中管线探测问题,特别是大埋深管线精确探测难题日渐凸显,地铁施工过程中管线破坏事件常有发生,不仅造成巨大经济损失、影响工程进度,更是威胁施工人员生命财产安全、带来巨大负面社会影响[8]。本文在总结地铁建设工程中管线探测特点的基础上,根据不同类型管线材质及敷设特征,针对性地给出了不同管线探测方法建议[9-11],并通过工程案例证明了典型大埋深长输管线及拖拉管施工电力管线等大埋深管线相关探测方法的有效性。

1 地铁建设工程管线探测的特点

地铁建设工程一般包括站点建设和区间建设两个部分。地铁建设工程相关管线探测主要有以下特点:

(1)管线种类齐全,密集分布,管线本身相互干扰。地铁站点基本建于人员居住相对集中区,作为城市生命线的地下管线,其本身种类齐全,密集分布,相互干扰。

(2)探测环境复杂,探测外部干扰因素多。地铁站点周边建筑密集,地上地下人工设施复杂,管线探测环境复杂,干扰因素较多。

(3)探测深度大。不论是站点建设还是区间建设,一般均要求对15 m深度范围内管线进行探测,特殊站点或位置探测深度要求甚至超过20 m。

(4)易漏测管线。地铁线路为狭长带状区域,容易漏测横穿测区、埋深较大且在测区附近无出露点或无明显附属设施的管线。

(5)常与非开挖敷设管线交汇。因地铁线路区间跨度大,往往不可避免与大量已有非开挖敷设(长输管道、电力管线)产生交汇。

(6)探测精度要求高,风险大。地铁建设工程相关管线探测成果直接用于指导地铁设计及施工,管线探测成果要求准确可靠,否则极有可能造成重大事故及严重经济损失。

2 地铁建设工程管线探测方法建议

结合管线材质、敷设深度及探测方法适用性,将管线探测分为4类,分别为浅层金属类管线探测、浅层非金属类管线探测、深层金属类管线探测、深层非金属类管线探测,其中浅层管线通常是指埋深3 m及3 m以内的管线,深层管线通常是指埋深大于3 m的管线。

(1)浅层金属类管线

浅层金属类管线探测首选电磁感应法,根据感应方式不同电磁感应法可分为直接法、夹钳法、感应法,具备铁磁性的管道可选择磁法,热力金属管道或高温输油管道探测也可选择红外辐射测温法。

(2)浅层非金属类管线

浅层非金属类管线探测首选探地雷达法,燃气非金属管道探测可采用主动声源法,钢筋混凝土或带金属骨架的管道亦可采用磁偶极感应法。

(3)深层金属类管线

深层金属类管线探测,应根据现场条件首先采用电磁感应法中的直接法或高密度电阻率法对目标管线进行初步定位,然后利用高精度钻孔磁法、钻孔瞬变电磁法等进行精确定位。

(4)深层非金属类管线

深层非金属类管线探测,若存在出露点或备用空管,首先考虑采用惯性陀螺仪法及导向仪法探测,对于无出露点或备用空管的非金属管线可采用钻孔雷达法进行探测。

管线探测方法的选择在满足探测精度要求的前提下,应综合考虑探测效率和经济性等因素。另外管线探测工作者应充分了解各种方法的适用性及特点,灵活使用,如金属管线(如钢质天燃气管道)在特殊情况下也可以停气,利用惯性陀螺仪法进行探测,如非金属管线可以通过在管内穿金属线,通过探测金属线从而完成目标非金属管线探测等。

3 典型大埋深管线探测案例

浅层管线相对于深层管线,探测技术方法较成熟,探测难度较低。限于篇幅,文章主要分别介绍金属与非金属大埋深管线探测方法实践。

3.1 大埋深长输管线(金属管线)探测

(1)基本概况

据资料及现场踏勘可知,南京市某地铁工程线路不可避免与苏南成品油DN400高压长输管道存在交叉,而交叉段管道因各种原因导致基础资料不详,无法获知管道的准确位置信息。为保证长输管道的安全,保障地铁工程施工顺利进行,需要对该交叉段成品油长输管道的敷设位置进行精确探测。

(2)探测思路及方法介绍

探测思路与步骤为:① 目标成品油长输管道存在阴极保护桩,满足直连条件,首先利用电磁感应法(直接法)对目标管道的水平位置进行初步确定,并采用70%法对目标管道的埋深进行初步预判;② 根据步骤①确定的目标管道水平位置、走向及大致埋深,结合现场条件确定探孔孔位及孔深(探孔深度一般大于预估深度5 m);③ 利用钻孔磁梯度法与钻孔瞬变电磁法对目标管道进行高精度探测,探测示意如图1所示。

图1 钻孔磁梯度法与钻孔瞬变电磁法探测示意图

(3)现场探测及成果解释

现场工作时,首先通过距交叉段最近的两处成品油管道阴极保护桩,采用直接法追踪目标管道,但追踪到交叉段区域时均无有效信号(敷设深度超出电磁感应法探测深度);利用距交叉段区域采用直接法能够追踪到的最近位置,并结合现场标示桩的位置,初步确定成品油管道在交叉段区域的位置分布;垂直于目标管道布设探孔(水冲尼龙钻头),探孔间距2 m,孔深25 m,每形成一个探孔便进行钻孔磁梯度法探测,直至对目标管道有明显反应,探孔布置平面示意如图2所示。

图2 探孔现场布置平面示意图

钻孔磁梯度法现场探测时,从孔1开始,首先将磁探头至于孔底,从孔底向孔口逐点采集数据,测点间距0.1 m,获得孔1磁梯度场剖面;孔1磁梯度场剖面无明显异常,进行孔2的数据采集;孔2磁梯度场剖面仍无明显异常,进行孔3数据采集时,发现深度16.7 m左右处,存在明显磁梯度变化异常,成果如图3所示。

图3 孔3磁梯度场异常剖面

钻孔瞬变电磁法现场探测时,重复利用孔3,首先将瞬变电磁探头至于孔内,然后逐点向孔口方向采集数据,测点间距0.1 m(由于是对钻孔磁梯度法的验证探测,且根据钻孔磁梯度法已知管道深度位于16.7 m左右,因此现场探测时只对深度19 m至深度8 m段进行了数据采集)。提取各测点对应时间段测道数据,得到沿探孔深度方向的多测道测点电压剖面,成果如图4所示。

图4 孔3瞬变电磁测点电压剖面

根据钻孔磁梯度法与钻孔瞬变电磁法探测成果可知,在深度16.7 m左右,出现了磁梯度异常变化及感应电压急剧升高的现象,两种探测方法反映的深度基本无差别,两种方法相互验证,探测精度高,探测成果准确可靠。

3.2 大埋深电力管线(利用电力非金属护管)探测

(1)基本概况

据资料及现场踏勘可知,南京市某地铁工程线路不可避免与江苏省电力公司一拖拉管施工的110KV高压电力管线存在交叉,该高压电力共4根300 mm直径电力套管,其中2根套管为空管,2根套管中存在电力管线,为确保电力管线安全,保障地铁工程施工顺利进行,需要对该交叉段电力管线的敷设位置进行精确探测。

(2)探测思路及方法介绍

探测思路与步骤为:① 利用导向仪法对4根套管进行探测,确定4根套管是否为同一腔施工,导向仪探测示意如图5所示;② 若4根套管为同一腔施工,则只需对其中一根空管采用惯性陀螺仪法进行复测,惯性陀螺仪探测示意如图6所示;③ 若4根套管分为不同腔施工,则需利用惯性陀螺仪法对每腔套管分开复测(针对内部存在电力管线的套管,则需在对应套管内再穿入导管,然后利用微型惯性陀螺仪进行复测)。

图5 导向仪法探测示意图

图6 惯性陀螺仪法探测示意图

(3)现场探测及成果解释

现场工作时,首先利用导向仪法对4根套管分别进行探测,经探测确定4根套管为同一腔施工;选择其中一根空管利用惯性陀螺仪法对其进行正反两次探测测量,然后利用测量设备测量对应空管进出口的精确三维坐标,最后通过空管进出口三维坐标及惯性陀螺仪探测测量数据得到整条空管不同位置的三维坐标,从而完成对应管线的探测工作。

根据陀螺仪探测成果及地面标高进行换算,导向仪探测成果深度与惯性陀螺仪探测深度基本一致,最大偏差处深度相差0.26 m(陀螺仪探测深度9.76 m,导向仪探测深度9.92 m,因篇幅关系不一一罗列各测点坐标、标高及埋深),充分证明了惯性陀螺仪法及导向仪法在一定条件下均能有效探测大埋深电力管线,探测成果可靠。

4 结 语

管线探测是地铁建设工程设计施工前必不可少的步骤,地铁建设单位及施工单位必须高度重视地铁建设工程相关管线探测工作。现有管线探测技术已基本满足地铁建设工程中不同深度不同材质管线探测需要,本文针对不同深度、材质管线提出的探测方法建议,可为后续地铁建设工程相关管线探测工作的开展提供借鉴与参考。