磁梯度与精确钻孔管线探测技术在轨道交通建设中的研究与应用

2015-03-29徐长虹何文峰韦者良

测绘通报 2015年1期

关键词：钻杆标高梯度

徐长虹，何文峰，韦者良

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波315000)

一、引言

城市轨道交通工程一般处在城市繁华区域，基础深、线路长、风险大，因此城市轨道交通工程项目对地下管线探测的精度要求也比较高［1］。城市轨道交通工程地下管线探测有如下特点:

1)探测场地环境复杂。由于城市轨道交通工程线路周边建筑物密集，市政设施(道路、桥梁)众多，地形、地质环境复杂，有些甚至下穿河流、桥梁，对地下管线探测精度的影响比较大［2］。

2)探测空间比较大，纵向较深。城市轨道交通工程建设开挖基础比较深，一般在15～25 m左右，有的甚至超过30 m［2，6］，因此，要求管线探测的纵向范围比较深，明显深于一般市政工程的探测深度。

3)要求管线探测的成果质量高、风险大。管线探测的成果直接用于城市轨道交通工程设计、迁改和施工，成果的准确性和可靠性、探测的精度直接影响城市轨道交通工程建设工程质量和安全［3］。探测数据精度低、可靠性差的成果资料在使用过程中不仅不能发挥其应有的作用，还可能造成重大安全事故和经济损失［3-4］。

在轨道交通工程建设前期工作中，常常涉及轨道沿线深埋天然气及给水管线精确定位［5］。为了满足这些管线精确定位，本文深入研究磁梯度与精确钻孔技术在轨道交通工程中轨道沿线深埋天然气及给水管线的探测应用，为深埋大管径管线的探测提出了切实可行的方法。同时，使管线信息化能力和水平适应我国城市经济快速发展的需要。

二、磁梯度技术

1．磁梯度原理

在正演模型研究当中，可以将水平金属管道局部区域简化成为一个无限长水平圆柱体，如图1所示［7］。

图1 水平金属管线正演模型

磁性体沿管线方向无限延长，磁位沿管线方向无变化。总磁场异常为［8］

磁场的垂直分量Z，水平分量H可表示为

各磁场分量梯度值(垂直分量Zα、水平分量Hα)的表达式分别为

式中Ms为有效磁矩，Ms=Js·S;Js为有效磁化强度;S为水平圆柱体的截面积;R为水平圆柱体的中心埋深;i为有效磁化倾角。

通过在管线的周边钻孔，将磁梯度仪碳棒放置于钻孔内，测量金属管线垂直方向上的Zα曲线变化，效果比较明显。

图2为水平金属管线相同一侧不同水平距离垂直剖面上的Zα值的理论变化曲线图。假设水平金属管道的中心位置投影到地面上的零点，管中心上下各5 m，距离管线中心水平距离分别为0．5 m、1 m、1．5 m、2 m所建立模型后得到的垂直磁梯度正演理论曲线。

图2 无限长金属圆柱体在垂直剖面上的Zα梯度值理论曲线

2．误差控制

(1)模型误差

在实际中，地下管线不是无限长的，往往还有分支和转折。理论计算表明，当一段管线的长度L远远大于埋深h时，管线中心剖面上磁场特征点坐标、极值与无限长水平圆柱体的特征点坐标、极值很接近，磁场极值的比值见表1，特征点位置差见表2［8］。

表1 有限长管线与无限长水平圆柱体中心剖面特征点位磁场比值表

表2 有限长管线与无限长水平圆柱体中心剖面特征点位置差表

由表2可知，当L＞6h时特征点的位置差Δ%＜10%;当L＞20时，Δ%＜2%。在选择磁梯度探测位置时通过搜集管道资料，判定是否采用该探测模型。

(2)因磁化倾角产生的测量误差

因为磁化倾角的存在，竖直钻孔所获得的磁梯度特征数据的所对应的并不是管道中心的位置，在管道两侧等距对称钻孔时，以磁化倾角45°为例，磁梯度曲线示意图如图3所示。

图3 管道异侧等距磁梯度理论曲线

在管道同侧不等距探测的磁梯度曲线示意图如图4所示。

图4 管道同侧不等距磁梯度理论曲线

通过在管道两侧对称处进行磁梯度探测，对探测成果按与管道距离分配权重后采用加权平均法计算管道中心埋深。

(3)磁梯度感应点不准确引起的误差

磁梯度技术的一般采用的硬件平台为CCT-3型磁探仪，设计用于探测沉船、桥墩及建筑物的桩基等水下和井中铁磁性物体。适用地磁场范围:±60 000 nT(±5%)，磁场梯度分辨率可达0．1 nT［9］。

由于设备本身设计并非用于精确探测，设备的梯度感应点是未知的，因此可以通过正演磁场模型，分析设备结构，采集试验数据，准确测试出设备梯度感应点，有效减少了由磁梯度感应点不准确引起的误差。

三、精确钻孔技术

1．精确钻孔技术原理

如图5所示，地下铺设有一根圆形大口径管线，在已知半径及管线上两点时，就可以唯一确定该圆形管线［10］。通过打样洞并精确量测管线埋深可以确定管线上某点的平面位置及高程，进而可以拟合出该圆形管道并确定其管顶平面位置及高程。

图5 精确探测定位原理图

利用粗略探测定位的成果重新确定该管道的位置及走向后，通过精细定位确定出钻孔的平面位置，并对钻杆垂直度进行校正后开始钻孔，直到钻杆接触到待测管道为止。在钻孔过程中下一孔钻探深度根据上一孔的深度随时调整，按同样的方法依次完成其他钻孔并逐个测定钻孔的平面位置及深度。

精确钻孔定位技术工作流程如下:

1)布设精确钻孔断面;

2)钻孔定位:对设计钻孔位置进行精确放样定位;

3)竖直度校正:钻孔的垂直度是精确探测地下管线的关键之一，在开始钻孔前，使用2台全站仪以钻杆为中心成90°角，对钻杆垂直度进行校正，并在钻孔过程中对钻杆竖直度进行实时校正;

4)钻孔:钻孔采用水冲法成孔，重力引导钻杆下探，采用挤压法压迫钻头向下直到完全接触到管道;

5)孔位平面位置及管接触点高程测量;

6)按上述方法再探测管右侧钻孔的平面位置和管接触点高程，并根据和前一个钻孔管接触点高程的差值调整下个钻孔位置。

2．误差控制

精确钻孔误差主要来自以下几个方面:

(1)仪器误差

采用的钻孔设备为普通勘探用钻机，使用时需对拟采用的钻杆、钻孔导向管、钻杆拼接进行严格的校验。钻孔长度采用钢尺量测，读数保留至毫米位，单根钻杆弯曲度应控制在1‰以内，钻杆拼接后累计弯曲度2‰以内［11］。

(2)竖直度偏差

在开始钻孔前，使用2台全站仪以钻杆为中心成90°角，对钻杆竖直度进行校正，并在钻孔过程中对钻杆垂直度进行实时校正。钻孔前竖直度偏差应控制在1．5‰以内，精确钻孔过程全程实时校正，当竖直度偏差超过2‰时即可将所有钻杆拉起，重新调整钻机，使之平衡［11］。

(3)未知障碍物干扰

在钻孔时为防止地下硬物干扰，导致精确钻孔竖直度偏离，一般宜采用高压水冲成孔。在高压水冲无效时，可选用金刚石钻头直接钻孔，然后重新调整钻机平衡。对管道附近的未知障碍物，通过磁梯度手段判定［12］。

四、实例

1．实例一

宁波市鄞州区雅戈尔大道与鄞州大道路口处有一条管径为273 mm天然气供气主管线，其平面位置横穿宁波市轨道交通4号线一期工程设计的所有4条轨道线路，如图6所示。该管道采用非开挖顶管施工工艺铺设，埋深较大且不固定，相关单位也无准确可靠的管线高程数据，按照施工方提供的施工资料可知在轨道线设计线路范围内埋深最大处约为10 m，与轨道的两条设计辅线标高十分接近，为确保轨道盾构施工安全进行，需要对此天然气管线进行精确探测定位定深。

图6 天然气管线磁梯度断面布设示意图

鉴于该管线的特殊性和重要性，采用磁梯度法进行探测。在垂直于管线方向上布设了3个断面，如图6所示，在每个断面处进行间距约为0．5 m钻孔依次探测(断面1有3个钻孔分别为K3、K4、K5，断面2有2个钻孔分别为K1、K2，断面3有4个钻孔分别为K10、K11、K12、K13)，孔深均超过10 m，钻孔成孔后将管口尺寸与钻孔相当的塑料套管放入钻好的孔中，把磁梯度仪探棒放入塑料套管最底部，以0．1 m的间隔从孔底开始依次往上牵引探棒并测量记录各点的磁梯度值。图7、图8和图9分别为断面1、断面2、断面3处磁梯度探测曲线。