基于跨孔CT和HDD的地下障碍物探测方法

夏 昌，傅大宝，郭云峰，高学珑

(1.福州市规划设计研究院,福建 福州 350108；2.福建省地质灾害重点试验室,福建 福州 350002)

基于跨孔CT和HDD的地下障碍物探测方法

夏 昌1，傅大宝1，郭云峰2，高学珑1

(1.福州市规划设计研究院,福建 福州 350108；2.福建省地质灾害重点试验室,福建 福州 350002)

为克服跨孔地震波层析成像方法在非开挖区间内障碍物探测方面存在定位精度低、探测不准确等问题，提出一种基于跨孔地震波层析成像(CT)技术和水平定向钻进(HDD)技术的地下障碍物探测方法.首先采用HDD技术沿地下结构纵向方向钻孔并布设管道，而后在管内布设专用仪器，采用跨孔地震波CT技术对非开挖区间内障碍物进行定位和识别.为验证该方法的可行性，以一顶管施工的自来水干管为例，采用该方法探测施工路径地下障碍物分布情况.结果表明，该探测方法能够准确定位非开挖区间地下障碍物，探测精度高、准确性好，具有良好的应用前景.

地下障碍物探测；跨孔地震波；层析成像；水平定向钻进

0 引言

非开挖施工方法由于其独特的优势在城市地下空间开发中发挥越来越重要的作用，但其对地层的适应性较差.例如地铁在盾构掘进过程中经常遇到“孤石群地层”，导致盾构机刀盘磨损，甚至主轴断裂.雨污水干管、电力隧道等在顶管施工过程中，同样经常遇到河底(驳岸)抛石、树根、古码头等障碍物.因此，在非开挖施工前，准确探查掘进区域内障碍物的大小和分布，是地下工程施工过程中迫切需要解决的难题[1-2].

用于地下障碍物探测的方法包括坑探法、钻探法和地球物理勘探三大类.其中，坑探法和钻探法具有“一孔之见”的局限性，难以揭露地下障碍物的大小和分布.地下障碍物和周围岩土体的物理性质存在明显差异，这为地球物理勘探方法探测地下障碍物提供了前提[3].地球物理勘探方法是通过观测、分析和研究地下物理场(如波场、电场、磁场等)，判断土层物理性质(波速、电阻率、介电常数等)的分布和变化，从而探测地下障碍物的勘探方法[4-6].

地震波CT方法是以研究地震波传播波速为基础的勘探方法[7-8].传统跨孔地震波CT的工作原理是：首先在探测区域两边各垂直施钻一个钻孔，其中一个钻孔中以一定的点距逐点激发地震波，另外一个钻孔中按一定的间距布置多个检波器记录同一震源点激发的地震波信号，而后通过反演算法得到速度色谱图，从而对地质情况进行解析.

显然，传统跨孔地震波CT存在以下问题：

1)测线布置方案问题.传统跨孔地震波CT是在非开挖地段垂直轴向方向上间隔布置地面测线.文献[1] 列出了用于城市地铁的跨孔层析成像测线布置方案.这种布置方法仅探测平行掘进工作面的若干剖面，而探测剖面以外的其他区域无法准确探知，因此存在对剖面两侧小型障碍物识别定位效果差的问题.而为实现精细化探测，通常采用加密测线方法，无疑增加了工程量.

2)分辨率及探测精度问题.钻孔间距是影响地下障碍物探测精度和分辨率的一个重要因素[1].研究表明，随着钻孔间距的增大，CT反演成像的分辨率和精度降低，甚至出现较大误差或探测不到障碍物的问题.在实际工程勘测方案设计中，既要考虑孔间距对探测结果精度的影响，也要考虑钻孔成本问题.因此，亟需研究一种较为科学合理同时经济的钻孔布置方案.

3)地面场地条件受限问题.城市地下结构在施工中，地面场地条件受限的问题并不鲜见.例如地铁穿越既有建筑桩基础时，需探明建筑桩基础实际位置，此时在地面钻孔存在很大的困难.

针对上述问题，研究新的地下障碍物探测技术方法对复杂地质条件下城市地下空间开发具有重要的理论及实际意义.

1 地下障碍物探测方法

1.1 HDD技术

HDD技术是采用安装于地表的钻孔设备，以相对地面较小的入射角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小并铺设管线的一项技术[9].HDD技术起源于石油钻井工业，目前广泛应用于市政管道、油气管道等建设行业.本研究将该项技术推广应用至工程勘察行业.

HDD施工过程一般分为三个阶段，即先导孔钻进、回拉扩孔和套管铺设，其中第二和第三阶段可以同步进行.在先导孔钻进的施工过程中，钻孔轨迹的设计和监测直接影响后续跨孔地震波CT探测的准确性.在钻孔轨迹设计时，可根据工作场地情况，设计不同的导向轨迹方案，如图1所示.

图1 导向轨迹设计方案Fig.1 Design scheme of guided trajectory

图2 地震射线分布示意图Fig.2 Sketch of ray path distribution

在钻孔轨迹监测时，如果地下结构的埋深较小，可采用地面步行式导航仪；如果埋深较大，可采用随钻测量系统实现导向监测.铺设套管的管材可选择管径较小的PE管.

1.2 跨孔地震波CT技术

跨孔地震波CT的具体原理为：在水平钻孔1和钻孔2中分别放入激震源和检波器串，利用在钻孔2中观测到的地震波走势等特性进行反演成像，从而获得两孔之间的地震波速分布情况，如图2所示.

图3为跨孔地震波CT测孔布置方案.接收孔和激发孔沿着非开挖区间纵向方向布置，并尽量布置在区间边界外侧.测孔布置方案应根据非开挖区间大小、现场环境特点和工程造价具体确定.三种方案的优缺点及适用范围如表1所示.

图3 测孔布置示意图Fig.3 Schematic diagrams of drill layouts

表1 测孔布置方案的对比Tab.1 Comparison of different scheme

1.3 基于跨孔CT和HDD的地下障碍物探测方法

图4 基于HDD和跨孔地震波CT探测地下障碍物示意图Fig.4 Sketch of underground obstacle detection based on HDD and cross-hole earthquake wave CT

作者结合跨孔地震波CT和HDD两项技术，开发了一种新的地下障碍物探测方法(专利号：201310305447)[10].该方法通过沿地下结构纵向方向布管并探测，实现对非开挖区间内障碍物的定位和识别，如图4所示.

该方法的具体施工流程如下：

1)导向轨迹设计.根据勘察区域的现场情况，制定水平定向钻进的导向轨迹方案，包括确定测孔数量、钻孔类型、轨迹形式、造斜点、曲线段、曲率半径、各段钻孔轨迹参数.

2)定向钻进施工.钻机选择→导向孔钻进→扩孔→管道敷设.在定向钻进过程中，采用导向仪控制轨迹偏差.

3)在不同的管道中分别装入激震源和检波器，通过测试地震波走时，反演出波速图.

该方法主要有下列优点：

1)实现非开挖区间纵向截面探测，障碍物识别精度高.该方法沿地下结构纵向水平钻孔、布管，依托所布管道进行跨孔地震波CT探测，从而得到非开挖区间纵向截面地质情况.与传统跨孔地震波CT得到的横向截面地质情况相比，纵向截面包含了更多非开挖区间内的地质信息，因此更容易发现、定位地下障碍物，特别是小型障碍物.

2)地下障碍物探测的分辨率和定位精度高.在实际工程应用中，水平钻孔一般布置在非开挖区间外侧，孔距较小.例如对常规直径近7 m的地铁盾构隧道，在区间四角布置水平钻孔时，孔距一般为8 m，可保证地下障碍物的探测精度.

3)受地面条件影响小.该方法采用非开挖水平钻孔技术，探测过程全部在地面以下进行，因此受地面条件的影响小.

4)节约工程造价.所提方法是沿地下结构纵向平行钻孔，传统地震波CT方法是沿地下结构纵向方向竖向钻孔，钻孔数量远多于平行钻孔的钻孔数量.因此，所提方法能够充分节约钻孔成本.

2 工程应用

福州市飞凤山水厂建设工程(一期)第一标段出厂干管穿越阳岐河区段，如图5所示.自来水管管径1 000 mm，埋深10.5 m.阳岐河桥宽约30 m，该区域地下可能存在桥桩、抛石、孤石等，影响顶管施工.因此，有必要查明顶管穿越区段地下障碍物的分布情况，为施工方的顶管施工方案提供依据.

2.1 探测方案

取桥宽及两侧各14 m作为测试区间.HDD钻孔轨迹设计如图1(c)所示.入土角和出土角均为20°.定向钻进设备最大回拖力为380 kN，扭矩12 kN·m.定向钻拉3根D90的PE管，孔距为3 m，如图6所示.定向钻进监测采用天然磁场控制.

在Q1管内放置激震源，Q2和Q3管内放置检波器接收振动波，共测试2个剖面，分别为W1和W2.激震源激发能量为1 kJ ，检波器串为24道(加速度型)，记录仪器为SWS-6地震仪，激发点距和检波点距均为1.0 m.

图5 探测区域Fig.5 Detection area

图6 钻孔及探测截面Fig.6 Drilling and detection section

2.2 结果与分析

对地震波记录的走时数据进行层析成像处理，得到地层的纵波速度剖面图，层析成像方法采用基于Huygens原理的最短路径射线追踪法，初始模型为平均速度模型，迭代3次.图7和图8分别为W1和W2的纵波速度剖面图.从图7和图8中可以看出，地层的地震波平均波速约为1 800 m·s-1，局部区域存在高速异常现象，列于表2.这些高速异常区域分别位于桥两侧及桥底，推测为桥梁施工垃圾或抛石反应.基于此，设计修改了原先的大直径钢管顶管方案，改为多根小直径拉管.可见，本研究的方法实现了非开挖区间地质超前预报，为设计和后续施工提供了有力的参考(图中d为桩到原点的距离).

图7 W1截面反演成像结果Fig.7 Inversion imaging results of W1

图8 W2截面反演成像结果Fig.8 Inversion imaging results of W2

表2 异常区域Tab.2 Abnormal region

3 结论

1)提出的基于跨孔地震波CT和HDD技术的地下障碍物探测方法，具有分辨率高，能够准确定位地下障碍物，且受地面场地条件影响小的优势.

2)以一具体工程为例，验证了该方法的可行性.结果表明,该方法在探测地下障碍物方面是有效的.目前，该方法已在多个实际工程项目中得到应用，并取得良好效果，值得在其他类似工程项目(如地铁、电力隧道、市政管网、地下综合管廊等)推广应用.

[1] 李术才,苏茂鑫,薛翊国,等.城市地铁跨孔电阻率CT 超前地质预报方法研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(5):913-920.

[2] 李术才,刘征宇,刘斌,等.基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究[J].岩土工程学报,2015,37(3):446-457.

[3] 裴正林.井间地震层析成像的现状与进展[J].地球物理学进展,2001,16(3):91-97.

[4] DAILY W,OWEN E.Cross-hole resistivity tomography[J].Geophysics,1991,56(8):1 228-1 235.

[5] 李红立,张华,汪传斌.跨孔超高密度电阻率法在花岗岩球状风化体勘探中的试验研究[J].工程勘察,2010,38(8):88-92.

[6] 刘宏岳.地震反射波CDP叠加技术在海域花岗岩孤石探测中的应用[J].工程地球物理学报,2010,7(6):714-718.

[7] 杨文采，李幼铭.应用地震层析成像[M].北京：地质出版社，1993.

[8] 陈世军,刘洪,周建宇,等.井间地震技术的现状与展望[J].地球物理学进展,2003,18(3):524-529.

[9] 马保松.非开挖工程学[M].北京:人民交通出版社，2008.

[10] 夏昌,高学珑,陈奕.一种岩土工程勘察方法：201310305447[P].2013-10-02.

(责任编辑：林晓)

An underground obstacle detection method based on cross-hole CT and HDD

XIA Chang1,FU Dabao1,GUO Yunfeng2,GAO Xuelong1

(1.Fuzhou Planning Design and Research Institute,Fuzhou,Fujian 350108,China;2.Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention,Fuzhou,Fujian 350002,China)

To overcome the problems of low positioning accuracy and inaccurate detection of cross-hole earthquake wave tomography (CT),an obstacle detection method for trenchless underground linear structure is proposed by integrating cross-hole earthquake wave CT technology and horizontal directional drilling (HDD)technology.Firstly,drilling and laying pipes along the longitudinal direction of underground structure are complemented with the aid of HDD technology.Then,the underground obstacles in the trenchless zone are detected by use of cross-hole earthquake wave CT technology.To verify the feasibility of the proposed method,a water main pipe of pipe-jacking construction is taken as an example to detect the distribution of obstacles.The result shows that the proposed geophysical prospecting method has a high precision of detection and good application prospects.

underground obstacle detection; cross-hole earthquake wave; tomography; horizontal directional drilling

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0185

1000-2243(2017)02-0185-05

2015-11-26

夏昌(1966-)，教授级高工，主要从事结构设计方面研究，13950309637@163.com

福建省科技厅科技计划资助项目(2015Y0044)

U45

A