四探针电阻率测试管线识别技术

姚 金，张 华

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

随着城市化的发展，城市工程建设日益频繁。勘察作为工程建设的前期工作必不可少，如何保障城市勘察工作的安全已越来越受到重视，尤其是对地下管线或建（构）筑物设施的保护，各大主要城市针对城区施工建设活动相应制定了有关地下管线保护制度。如广州市人民政府办公厅于2022 年发布了《广州市人民政府办公厅关于进一步加强地下管线保护的实施意见》，文件明确要求需落实钻探作业安全管理。建设工程行业主管部门和地质勘查主管部门要建立勘察工作监督检查制度，加强工程现场勘察管理，将钻探作业纳入各自行业领域工程监管体系，监督抽查建设单位（或地质勘查项目业主）落实地下管线保护措施情况。文件还明确勘察单位对勘察期间地下管线保护负主体责任，在地下管线安全保护范围和安全控制范围内作业，应按建设单位与管线权属单位签订的地下管线保护协议，落实地下管线保护措施，防止勘察时破坏地下管线[1]。当前，在城市勘察工作中，为避免破坏地下管线主要采用管线资料搜集、管线探测、权属确认和人工挖探等措施。管线资料搜集即向建设单位、规划部门、管线权属单位等搜集对应工程范围既有管线图成果。由于部分的地下管线年代久远，其施工资料或已丢失，或较陈旧，也有些是并未经过测量而直接标注的示意图，因而有些资料显示的地下管线与实际位置不相符合，且有些新近埋设的地下管线资料尚未归档，无法及时搜集到，这也可能造成勘察期间实际利用时准确度不高[2]。管线探测主要采用管线仪或地质雷达实施现场探查，受场地条件或技术手段限制，对于非金属管或埋深大于3 m以下的管线易出现漏探情况。权属确认主要是由勘察单位邀请各类管线权属单位进行现场确认管线位置，该项工作受管线权属单位的配合程度影响，而且遇有老旧管线，权属单位有时也缺少资料，未能准确指认具体位置。人工挖探是最为直接的方法，人工挖探方式因其可直接排查管线风险已逐渐被各大城市所采用。人工挖探受城市道路、建筑场地、管线等限制，开挖面一般不允许过大，这直接影响到开挖深度，一般开挖探坑多在2 m 左右，对于2 m 以下管线的排查则采用洛阳铲进行洞探。进行洞探时常常遇到填石、管线等障碍物而未能挖探到预定深度，一旦遇到障碍物因不能确定是否为填石或管线，往往都是移位再重新挖探，直接影响工程进度和浪费人力、物力等[3-4]。针对开孔挖探到一定深度遇有未知障碍物，笔者通过研究分析四探针电阻率测试理论，采用微极距四极探针技术可直接测得地下障碍物电阻率值，以此间接判断遇到障碍物的材质，可进一步分析其为管线的可能性，为挖探工作提供决策依据，减少重新移位开孔的概率。

1 城区勘察开孔作业

城市地下管线包括给水、排水、燃气、热力、电信、电力和工业管道等几大类，其就像人体内的“神经”和“血管”，日夜担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。由于管线工程分布在地下，属于隐蔽工程，常规勘测方法无法准确获得地下管线分布具体情况。在实际工作中发现很多城市原有管线资料不够完善，不能准确反映管线实际情况，信息老化、资料不全就不能完全依靠收集的资料，城市环境下勘察单位必须进行现场勘查和采取相应防范钻损地下管线的措施。城市地下管线一般位于市政道路下的0.5～3 m 之间，也有一些埋设于3 m 以下的管线，如非开挖敷设的顶管等。在工程勘察施工中，通常使用钻机设备从地表向地下钻孔，由于城市近地表情况复杂，且常需钻开混凝土、填石等坚硬物，所以钻头一般为金刚石钻头，硬度和刚度都非常大，具有很强的破坏力，因此一旦触碰到地下管线，必然会对其造成损伤。广州地铁设计研究院股份有限公司（以下简称“我院”）长期从事地铁项目勘察，主要勘察作业环境都在城区，通过经验积累形成了一套行之有效的城区勘察作业开孔流程[5-6]。

1.1 前期准备

勘察进场作业前需做好管线保护的前期准备工作，主要包括地下管线资料收集、钻孔周边管线复杂程度分级、孔位管线现场排查、移位报批。

1.1.1 地下管线资料收集

收集勘察区域管线成果资料是勘察作业前期必不可少的工作之一。一般情况下，建设单位或勘察总体单位在勘察施工前均会向勘察单位提供管线成果资料。当建设单位无法提供时，勘察单位应向规划部门或相应权属单位进行收集并整理。基于地下管线的复杂性、时效性及探测技术的局限性，收集到的管线成果资料仍存在与实际不符的情况，勘察单位需充分认识到这一点，避免完全相信和套用收集到的地下管线资料，从而造成损失。

1.1.2 钻孔地下管线排查

在获取地下管线成果图后，应把钻孔叠加至管线图上，查看孔位管线情况。基于管线图可能存在的偏差，勘察单位施工前还应在现场对照管线资料复核和排查孔位管线。现场排查手段主要包括仪器探测、开井盖确认、邀请权属单位现场确认，通过排查进一步完善孔位管线成果资料。

1.1.3 钻孔周边管线复杂程度分级

经过排查进一步摸清钻孔周边管线后，依据钻孔与既有管线的关系对各孔进行分级处理，如规定距钻孔中心5m 以内分布有军事、燃气、输油和高等级通信、压力管线及顶管法、定向钻法铺设的管线，且距钻孔中心2 m 以内无上述管线的检查井，此类钻孔定为钻孔周边管线复杂程度为Ⅰ级。上述管线在钻孔中心2m 以内有对应管线检查井，此类钻孔周边管线复杂程度定为Ⅱ级。如军事、燃气、输油和高等级通信、压力管线及顶管法、定向钻法铺设的管线距离钻孔中心15m 以上，此类钻孔周边管线复杂程度为Ⅲ级。同时还可依据距离钻孔的电缆输电电压、金属或非金属管线探测信号显示有无等进行钻孔周边管线复杂程度分级。根据不同钻孔周边管线复杂程度等级制定相应的开孔措施方案和报审批流程，严格控制风险。一般情况下，对于Ⅰ、Ⅱ级钻孔周边管线复杂程度的钻孔可根据周边场地环境，优先在满足技术要求的前提下进行钻孔位置调整，降低钻孔周边管线复杂程度等级，如无法移位降级的则采取对应的开孔措施方案实施。

1.1.4 移位报批

经过钻孔周边管线复杂程度分级工作及现场排查工作后，原设计钻孔孔位如出现正好位于既有地下管线上方或距离较近时，如周边场地环境有调整位置，则需相应地避开管线风险调整孔位，超出移位距离相关要求的钻孔需报送移位方案。经设计、总体等单位审批完成后须对调整后的新孔位重新进行钻孔周边管线复杂程度分级工作，按调整后的钻孔周边管线复杂程度等级对应方案实施开孔。

1.2 现场开孔

勘察单位需针对不同风险等级制定相应的开孔措施，如对应上述钻孔周边管线复杂程度Ⅰ、Ⅱ级钻孔开孔需采取“挖三贯六”的原则。“挖三”是指人工开挖至地表以下3 m，包括破除路面、人工开挖、洛阳铲洞探3 个步骤；“贯六”指利用钻探设备采用岩芯管击进方式，从地表以下3 m 贯入至6 m 的操作。Ⅲ级周边管线复杂程度的钻孔则可直接采用贯入的方式，从地表直接贯入至地面以下6 m 深度以下。开孔总原则为从地表至以下6 m 深度严禁采用机械钻机，以此降低损坏地下管线的风险。

1.2.1 人工挖探

人工挖探目的是将路面挖开，暴露地下障碍物，规避地下管线。在城区实施挖探，地表主要为道路路面或混凝土地面，一开始需用风镐破除路面，由点到面、小功率谨慎施工，破除形状应以矩形为主，长、宽宜控制在0.5～0.8 m 范围。路面破除后，达到填土层，人工采用铁锹、撬棍、风镐等工具实施挖探，周边自稳条件好宜垂直开挖，自稳条件差时采用“漏斗形”开挖，挖探深度约1.5 m。开挖深度宜穿透上部填土层，当底部存在障碍物时可加深，必要时扩大路面破除范围。人工开挖到一定深度后，铁锹等工具功能受限，此时则采用洛阳铲进行洞探，洛阳铲刃口严禁打磨，洛阳铲探应以人力下铲，严禁大锤击打下铲，洞探深度需挖至地面以下3 m。挖探结束后应量测深度并进行挖探验收，采用PVC 管对准孔位防止沉渣覆盖，坑内回填砂土防止塌陷，钻机就位前应采用铁板覆盖进行保护。

1.2.2 击进开孔

钻孔孔位经人工开挖探至3 m 验收后，钻机设备方可就位，钻机立轴对准开挖孔后采用岩芯管击进至地面以下6 m。在击进过程中，严禁重锤大距离下落，技术人员需全程旁站，关注击进速率变化情况。对于异常情况，及时停止施工，分析原因。当钻孔附近涉及深埋管线、顶管时，应加大击进深度。

2 四探针电阻率测试管线识别

2.1 挖探存在的问题

经过管线成果收集、排查，结合“挖三贯六”开孔方式的实施，无疑可避免大部分地下管线，但也存在一定的局限性。一是现有探测仪器对6 m 以下深埋管线的位置探测存在不确定性，主要还是依靠资料收集和权属确认的成果，仍存在一定风险；二是“挖三贯六”的实施，在城区允许开挖面一般不能过大，当浅部存在较多填石、块石时，挖探和击进难度较大，尤其是在1.5～6.0 m 深度，当遇到障碍物很难判断是填石还是地下管线，时有把管线误认为是填石而允许机械破除或钻进而出现管线损失事故。对于可能出现的深埋管线风险，开孔过程中需加强资料收集和权属确认环节的工作，存在疑问时，应要求现场击进不应要求仅仅至6 m，应要求击进至各方收集反馈的最大管线深度，以此确保安全。近地表地下障碍物一般为回填块石、建筑垃圾、地下管线等，而地下管线主要为铸铁、砼、PVC 和钢等材质，基于此类物质属性及存在的电性差异，可借助获取地下障碍物电阻率的方式来判断其属性。当在实施挖探或击进过程中遇到障碍物时，采用专门测量仪器获取障碍物的电阻率，判断其为管线还是块石等，为是否采取机械破除提供决策依据，以此降低在此过程中误损管线的风险。

2.2 管线识别工作原理

地下管线按其物理性质可大致分为3 类：①由铸铁、钢材构成的金属管线；②由钢、铝材料构成的电缆；③由水泥、陶瓷和塑料材料构成的非金属管道。上述管线与周围介质在电性方面均存在差异，因此可以利用电阻率物理参数，选择四探针电阻率测试方法进行电阻率测试，以此来判断管线材质属性。

四探针电阻率测试理论是依据范德堡原理，采用的是直流四探针测试方法。采用4 根小型铜电极固定在塑料板上，电极距（探针间距）为10 mm，塑料板连接伸缩探杆，用于下放塑料板电极头置于挖探孔洞障碍物上，使得4 根电极探测均与障碍物接触。利用恒流源给外面的A、B 探针电极通过电流，再从M、N 探针电极上测量出电位差，经过相关运算得到障碍物材料的电阻率，如图1 所示。

图1 四探针法测量示意图

依据四极法探测理论，被测地下障碍物相对探测探针间距视为无穷大，假设AM=MN=NB=a，探针M 处电势VM是探针A 处电流源+I 和探测B 处电流源-I 之和，即有

探针N 处的电势VN也可得出

由此，探针M 与探针N 之间的电势差可求出

根据已知各探针间的间距a，只要测出探针M、N 间的电势差VMN及探针A、B 间的电流I即可获得被测障碍物电阻率值ρ

依据探测障碍物的电阻率值即可分析其介质材料，为钻探或挖探提供处理障碍物的决策依据[7-8]。

2.3 测试设备

由于常规电法测量仪一般难于满足管线类识别物体的电阻率范围，为能较准确地获取地下障碍物电阻率值，基于上述电法原理，我院自行设计制作完成测试主机及测试探杆成套设备。主机为电阻率测试设备，与常规电阻率测试仪工作原理和工作方法一致。主机电阻测量范围为10-6～106Ω，直流电压测量结果的相对扩展不确定度为0.002%，电流测量结果的相对扩展不确定度0.06%，电阻率测量结果的相对扩展不确定度为0.007%。测量探杆采用伸缩杆把手，探杆底部连接塑料板，铜制电极按一定间距排列呈直线固定在塑料板上，并引出连接线与测量主机连接。

3 测试应用

为测试研制设备及研究技术的实际应用，本次采用设备对铸铁管、PVC 管、不锈钢管和干砼管及湿润土进行电阻率值测试，测试结果见表1。从测试结果看，金属材质管（铸铁、不锈钢）、非金属材质管（PVC、砼管）与湿土之间差异明显，可直观地区分和判断出材质大类，说明采用该方法识别探孔障碍物是可行的。

表1 各材质测试电阻率值Ω·m

2022 年6 月，我院正在实施粤港澳大湾区城际线路芳村至白云机场工程详细勘察，在实施MVNZ3-FC-075号钻孔挖探过程中，人工坑探至1.20 m 深度后采用洛阳铲挖至地面以下约1.80 m 位置时遇到障碍物未能继续下探。随后，采用探孔管线识别仪进行探查，测试障碍物电阻率为218.52～1 457.49 Ω·m，测试5 组数据平均值为890.67 Ω·m，基本排除为非金属管线或金属管线，建议不移位扩大挖探孔处理。扩大后在障碍物旁侧顺利继续下探至要求3 m 位置，初步判断障碍物为回填砖块或石块。通过采用探孔管线识别仪的探查基本确定了障碍物为非管线物体，推荐原孔位继续实施，避免了移位重新开孔，节省了施工时间和施工成本。探孔管线识别仪如图2 所示，探测现场如图3 所示。

图2 探孔管线识别仪

图3 探测现场

4 结束语

1）依据四探针方法原理，可以采用接触方式进行对地下挖探所遇障碍物的电阻率测试，以此获取其电阻率值，通过电阻率值可初步判断所测对象的材质。

2）研制的测试设备扩大了电阻率测试范围，提高了测试精度，通过测试获取了铸铁、PVC、不锈钢和砼等材质的电阻率值，其差异明显，可作为判断测试材质的基础依据。

3）在城市进行地质钻探时，往往需采用地面开挖至一定深度的方式进行地下管线或建（构）筑物的排查，当开挖遇到障碍物时，可借助四极探针方法进行障碍物识别及辅助决策，该项技术已成功应用于粤港澳大湾区城际线路芳村至白云机场工程勘察项目。