管桩施工点位地下管线定位技术.pdf

文章编号:1671-7619(2023)03-0001-05DOI:10.19776/j.gdgljt.2023-03-0001-05管桩施工点位地下管线定位技术张黎明1,叶志明2,李国维2,周 洋3(1.广东省路桥建设发展有限公司,广东 广州 510623;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室,江苏 南京 2100982;3.河南工业大学土木工程学院,河南 郑州 450001)摘要:地下管道是现代城市的“生命线”,当在其上方设计另一座建筑物或道路并进行地基处理时,准确定位其空间位置十分重要。然而,现有的非开挖探测方法由于测量深度有限且测量范围较小,不适用于深部的地下管道。通过理论计算和现场试验,研发了一种新的深埋地下管道探测方法 地-井电磁感应法。该方法使用与水平面成一定角度的线圈来接收目标管道的磁通量,然后进行 2D 分析,以计算最大磁通量深度与管道位置之间的关系。地-井电磁感应法已应用于实际的现场调查中,检测到的管道位置与工程钻探结果一致。关键词:地下管道;定位;电磁感应;井;线圈中图分类号:U443.133 文献标志码:B作者简介:张黎明(1975-),男,大学本科,路桥高级工程师,从事高速公路建设管理工作,E-mial:251206899 。0 概述地下管线是城市基础设施的重要组成部分,是城市正常运转的“生命线”1-3。地下管线按用途主要分为地下管道和地下电缆两类,地下管道包括给水、排水和燃气等,地下电缆则包括电力及通讯电缆。目前,地下管线常采用非开挖敷设的方式。非开挖敷设是以非开挖定向钻进技术为核心,施工时通过多次扩孔、回拖,完成敷设拟建管道的一种方式1。该技术具有综合成本低、施工周期短、不影响交通、环境污染小等优势。但与此同时该非开挖方式带来了诸多问题,因其埋深大、平面分布不规律,对非开挖管线的探测精度难以保证3-4。再加上竣工资料的缺失、失真及管理不当,使得非开挖管线成为工程建设过程中地下空间开发的重大隐患,因此在工程施工前对这类隐蔽性工程的定位十分重要。地下管线探测方法包括地球物理方法和非地球物理方法等。地球物理方法主要有电磁感应法、探地雷达法、高密度电阻率法、井中磁梯度法等;非地球物理方法则包括惯性陀螺仪定位法、声学探测法等。电磁感应法主要指地表管线仪探测。王羽5等简述了 RD8000 管线探测仪及 LD6000 管线探测仪的工作原理,并对两种管线仪的优劣进行对比。王健6等认为电磁法可解决探测目标小于 3m 深的管线探测,平面位置精度为 0.1h(h 为管线埋深)。胡玉洋7等使用加大功率的 PCM+探测仪法进行探测,精度不高但能满足国家规范要求,同时认为常见的管线探测仪实际上大部分测深只有3m,当管线埋深超过 3m 时,基本不能实现有效探测。探地雷达法应用广泛,十分有效,其利用地下介质电磁特性的差异来探测地下环境。程江洲8等将探地雷达应用于宜昌市某变电站改造工程,实现非开挖条件下探测识别地下隐蔽管线的目的。韩佳明9等总结出黄土地区应用探地雷达探测城市地质分层和管线的一般性方法和规律。虽然探地雷达法已较成熟,但其存在探测距离与分辨率之间的矛盾,且抗干扰能力差10。刘晓东11等通过大量高密度电法试验取得一些有意义的资料,认为其在管线探测、岩溶调查等方面具有信息量大、探测精度较高的勘察效果。韩沙沙2等认为高密度电法精度高,但一次需布36 个以上电极,电极需砸入地面 30cm,测线长度几十米至上百米,因此实用性较低。井中磁梯度法是基于目标管线与周围介质磁12023 年第 3 期 广 东 公 路 交 通Guangdong Highway Communications Vol.49 No.3Jun.2023性差异为基础的被动源探测方法。吕明12通过现场探测发现井中磁梯度法能较准确地推定地下深埋管线平面位置及埋深,其误差一般小于 30cm,但探测距离一般小于 1.5m。该方法抗干扰能力强、探测精度高,但其理论不够完善,缺乏定量分析方法,通常作为验证手段用以评价其他方法的有效性1。陀螺仪三维精确定位技术是一种国际领先的管线精确定位技术。曾志伟13通过现场测量发现陀螺仪地下定位技术相比 RD8000 探测更精确可靠,且不受地面地貌变化的影响。黄鹏飞3通过实例验证里奇 SR-20 结合微型示踪探头以及结合惯性陀螺仪定位技术在非开挖管线精细探测中精确性和可靠性,但其同时认为陀螺仪定位技术存在一些缺点,如仪器昂贵、维护费用高等,只能测量未投入运行的管道,要求管道内壁光滑,逐段焊接的 PE 管焊疤对测量结果影响较大。现有管线探测方法存在一定的局限性。地表探测方法不能克服大埋深、小管径的问题;地下探测方法突破空间限制,测量结果更为精确,但存在操作繁琐、目标管线要求严苛、探测范围有限等缺点。本文将地面电磁感应法与井中磁梯度法相结合,提出了“定向源地-井电磁感应法”。本方法通过定向施加源的方式,在目标管线出露端通过发射装置激发管线产生磁场,基于井中线圈磁通量的响应特征,通过二维、三维正演模拟得到计算管线埋深及其水平位置的理论公式,将理论公式应用于实测数据,取得了较好的应用效果。1 地-井电磁感应法基本原理地-井电磁感应法由目标管线磁场源发射装置、可旋转磁通量测量线圈、线圈磁通量实时数显设备、竖向探进位移装置等构成,适用于钢管、电缆及铸铁管等管线的探测,如图 1 所示。测量方法:发射机通过夹钳在出露处连接管线并施加信号电流,激发一个感应磁场。线圈平面与水平面呈固定夹角(锐角)称线圈倾角,在井中探进,测量磁通量最大值方向,测得最大值深度,计算管线位置。图 1 定向源地-井电磁感应法组成假设管线直径为 R,埋深为 d,管线长度 l。当三者满足以下关系:Rdl(1)可以将载流管线视为线电流14。将载流管线视为线电流,其所激发的磁场在竖直截面上为同心圆,如图 2 所示。竖井中磁通量的响应可简化为二维问题,以磁场平面为 XOY 平面,其中 X为管线与井的距离。线圈内磁通量()响应表达式为:=X+Z(2)式中:为线圈内磁通量。图 2 载流管线产生二次磁场即:=SXBX+SZBZ(3)即:=kxcos(sinsincos+coscos)(4-a)式中:为BOC,线圈处在第一象限时 为22023 年第 3 期 广东公路交通 总第 186 期正,处在第四象限时 为负,取值范围(-/2,/2);为线圈倾角,是线圈的旋转角。k=0IS/(2),x=OC=rcos,如图 2 所示。而 如图 3 所示,为线圈(可旋转)长边在 XOY 面的投影 ad与X 轴正向夹角,称为旋转角,逆时针旋转为正,顺时针旋转为负,且(-,)。图 3 井中线圈在 XOY 面投影 还可表达为:=k1xcos+k2x(4-b)比较式(4-a)和(4-b),可知 k1=ksin(2)sin/2,k2=k cos2cos。当 值一定,可推算出:(1)0,磁通量在=0 时有最大值;(2)0,磁通量在=有最大值。据此对=0 与=时的特殊情况展开分析。当 =0 时,得两个根为 1=/2、1=(-)/2,此时磁通量响应存在极值。当=0 时,参数/k 沿相对深度 z(z=xtan)分布规律:k=zsin+xcosx2+z2(5-a)若 x=1.0m,得:k=zsin+cos1+z2(5-b)图 4 为 x=1.0m 时的 z-/k 曲线,可以看到,两极值点分别为曲线的最大值和最小值,其中 z=0为管线所在的深度。当=时,得=(-)=0(),因此两式关于/k 轴对称,由对称性得=在 2=-/2、2=(-)/2 两处,磁通量响应存在极值。图 4=0 时典型 值的 z-/k 曲线(x=1.0m)在=0 处,有(1)(1);在=处,有(2)(2);则线圈在=1和=2时,线圈具有较好的电磁响应特征。因此,在管线平面以上使=0,管线平面以下使=进行磁通量测量,可得到更好的响应磁通量表现效果。磁通量的表达式为:=0=kxcoscos(-),0,2)=kxcoscos(+),(-2,0)(6)极值点对应的角度,=1(=0)和 =2(=)的深度为 hmax1、hmax2。由对称性推求载流管线的实际深度为:h=hmax1+hmax22(7)也可推得管线与钻井的水平距离:x=hmax1-hmax22tan(2)(8)由上述公式,max=max1=max2=kxcos22,越小,极大值越大。因此,合适的 值可提高穿过线圈的磁通量,使线圈具备较强的电磁响应能力。然而,如 过小:(1)深度 hmax1与 hmax2过于接近,不利于区分,且 0 时,管线水平距离无法计算。(2)从经济性方面考虑,也要求 不应过小,否则需要增加钻井直径,其经济性和适用性大大降低。综合考虑操作性、计算方便性和经济性等因素,可选用=30 45。本文选用 =45,则线圈响32023 年第 3 期张黎明,等:管桩施工点位地下管线定位技术总第 186 期应磁通量为:=22kx(sincoscos+cos2)(9)2 工程实例2.1 工程概况随着社会经济的发展,沿海城市高速公路改扩建逐步开展。深圳至岑溪高速公路中山新隆至江门龙湾段改扩建工程位于珠三角经济圈核心区,沿线两侧密布工商业区及生活区,联系道路两侧的各种管线是区域经济和生活的必要设施,包括高压电缆、给水管、污水管和燃气管等。道路主线软基路段长度约 44.3km,扩建范围内下穿管线多达 50 余处,其中难以改迁且位置不明确的管线约 10 处。这些管线多为地下电缆,其平均埋设约为7m,且分布不规则,成为项目施工过程中的巨大挑战。扩建区域内采用的桩基类软基处理方式与现存地下管线冲突。地下管线位于需要进行软基处理的路基段,处理方式为复合地基,即在地基中打入密集的桩体。为了防止打桩施工过程中破坏地下管线的事故发生,必须在施工前确定地下管线的平面和深度位置,以精确规避桩体与地下管线冲突,为打桩施工安全提供保障。常规的电磁感应法失效。常规电磁感应法即使用金属管线仪进行探测,作为最广泛使用的地下管线探测手段,面对大埋深的目标管线,其准确度已经丧失,难以满足高速公路改扩建工程建设的要求。综上,中江高速公路路基下穿管线密度大、路径复杂,改扩建道路进行的软基深层加固施工影响到管线运行安全,需要准确探明地基加固施工限制区域。2.2 中江高速公路某匝道地下电缆中江高速公路改扩建工程中山段某匝道内 6条 110 kV 电缆斜穿路基,为非开挖敷设。设计文件显示有 2 条电缆管组成一条地下管线(PE 管)处于扩建区域内,埋深大于 3m。由于该扩建区域拟采用预制管桩进行软基处理,因此需探明管线位置,构建静止施工区域。产权单位要求通过工程钻探的方法摸清管线位置,钻探时采用尼龙质钻头水冲钻进。探测方案为在图 5 所示的 A、B、C 三点首先开展钻探,成孔后放入 125 mm PVC 管作为电磁感应法探测通道。将发射机通过夹钳法连接在目标管线出露端,将线圈放入通道,待磁通量反应明显,改变线圈方向,找到最大值方向,即为=0 方向。保持方向固定,测得最大值点深度,旋转线圈 180,自下而上测得此方向上的最大值。图 5 目标管线探测平面依次在井 A、B、C 中完成探测,探测结果见表1。表 1 目标管线电磁感应法探测结果井方向/极大值深度/m探测深度/m水平距离x/mA03.604.454.0251.027B03.454.453.9501.208C04.504.704.6000.242井 A、B 分别位于目标电缆左右,其深度探测结果只相差 75mm,小于 PE 管管径。将井 A、B、C探测水平位置相连,得到的路径与电力部门通过管线仪探测得到的路径基本一致。对电磁感应法测得的路径进行工程钻探,分别在 A点地下 4.5m、B、C点地下 3.9m 遇到障碍,而其他探测孔均能钻至 12m,由此论证了本方法的正确性。3 结语本文为解决深埋管线探测难度大、探测结果精度低的问题,提出定向源地-井电磁感应法,并已应用于中江高速公路沿线的 10 处扩建施工区域,得出以下主要结论:42023 年第 3 期 广东公路交通 总第 186 期(1)不同深度处线圈磁通量响应特征与线圈倾角 及线圈转角 相关,通过分析磁通量响应特征可定性判断线圈转向情况。(2)分别采用工程钻探进行实际勘测和定向源地-井电磁法进行理论分析,并对比两者的结果。实际勘测结果与计算结果高度吻合,验证了地-井电磁法的准确性。参考文献:1陈思静,胡祥云,彭荣华.城市地下管线探测研究进展与发展趋势J.地球物理学进展,2021,36(3):1236-1247.2韩沙沙,王照天,郭凯.地下管线探测方法综述J.测绘通报,2016(S1):104-106.3黄鹏飞.非开挖管线精细探测方法分析J.测绘通报,2021(5):140-144.4胡玉洋,叶荣华,陈长青.宁波市深埋非开挖管线探测方法与应用研究J.测绘通报,2021(S2):156-161.5王羽.RD8000 管线探测仪与 LD6000 管线探测仪的探测方法及应用J.测绘通报,2015(S1):63-66.6王健,江怡芳,朱能发,等.综合管线探测技术在城市管线探测中的应用J.测绘通报,2015(S2):52-56.7胡玉洋,叶荣华,陈长青.宁波市深埋非开挖管线探测方法与应用研究J.测绘通报,2021(S2):156-161.8程江洲,陈秋航,卞九洲,等.探地雷达技术在变电站地层隐蔽管线探测中的应用J.现代雷达,2021,43(2):82-88.9韩佳明,仲鑫,景帅,等.探地雷达在黄土地区城市地质管线探测中的应用J.物探与化探,2020,44(6):1476-1481.10郭甜,李静霞,刘洋,等.基于混沌脉冲位置调制信号的地下管线探测研究J.电子器件,2019,42(5):1278-1283.11吕明.井中磁法在深埋管线探测中的应用J.土工基础,2019,33(6):717-719.12刘晓东,张虎生,朱伟忠.高密度电法在工程物探中的应用J.工程勘察,2001(4):64-66.13曾志伟.陀螺仪定位探测技术在非开挖燃气管道施工中的应用分析J.中国石油和化工标准与质量,2021,41(18):167-168.14王法刚,叶国弘.频率域电磁法在探测地下管线中的应用J.岩石力学与工程学报,2001(S1):1787-1789.(收稿日期:2023-03-14)Positioning Method for Underground Pipeline at Pipe Pile Construction LocationZHANG Liming1,YE Zhiming2,LI Guowei2,ZHOU Yang3(1.Guangdong Road and Bridge Construction Development Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510623,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,HohaiUniversity,Nanjing Jiangsu 2100982,China;3.School of Civil Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou Henan 450001,China)Abstract:Underground pipeline is the lifeline of a modern city and the accurate positioning of its spatial location hasbecome extremely important when another building or road is designed above it.However,the existing trenchlessdetection methods are not suitable for the deep underground pipeline due to limited measuring depth and small range.Inthis paper,a new method(called Surface-to-Borehole Electromagnetic Induction Method)of deep buried undergroundpipeline detection has been studied by theoretical calculation and field test.In this new method,a coil at an angle tothe horizontal level has been used to receive the target pipes magnetic flux.Then a 2D analysis has been performed tocalculate the relationship between the depth of the maximum magnetic flux and the pipeline location.The method hasbeen applied in a practical fieldwork.The pipeline position detected by the new method is consistent with that fromengineering drilling.Key words:underground pipeline;positioning;electromagnetic induction;borehole;coil52023 年第 3 期张黎明,等:管桩施工点位地下管线定位技术总第 186 期