城市环境勘察中规避地下管线新技术的应用

姚 金，张 华，孙思亮

（广州地铁设计研究院股份有限公司 广州 510010）

0 引言

随着我国城镇化的快速推进，大量的城市基础设施建成并投入运行，其中各类纵横交织的地下管线是城市基础设施的重要组成部分，主要包括给排水、燃气、热力、工业管道、电力、通讯等管线及其附属设施［1-2］。城市地下管线种类繁多，空间分布上具范围广、规模大、交错复杂等特点，城市发展促使市政工程的建设规模越来越大，地下管线的变化及增长也随之加快。地下管线是城市赖以生存和发展的必要保障，它承担各种物质与信息的调配与传输，是维持城市正常运转的“大动脉”，被称之为“城市生命线”［3-5］。

在城镇化进程不断推进过程中，各城市的新建、改建、扩建工程越来越多，而勘察是工程建设重要的一项前期工作［6］。城市环境下为保障勘察工作安全、有效的开展，就需采取有效措施避开错综复杂的地下管线实施钻探施工作业［7］。如何做到有效避开地下管线，是城区勘察工作中的一大难题。钻探过程中一旦发生损坏地下管线事故，将带来诸多不良影响，甚至造成人员伤亡［8］。本文从城市环境勘察工作实际出发，分析勘察工作中常用规避地下管线措施方法的利与弊，重点从人工挖探方式入手，介绍了采用四极探针方法识别挖探过程中所遇障碍物的材质，进而判断其是否为地下管线，为工程勘察开孔过程中地下管线排查提供了一种新的技术手段。

1 规避地下管线方法分析

1.1 地下管线资料收集

一般情况下，在工程建设前期均需对建设场地范围内的地下管线进行普查或者详细勘查。勘察单位在进场之前应向项目业主或各类管线权属单位等收集地下管线资料，进行分类整理，结合勘探孔的实际位置，现场逐孔比对核实，并邀请管线部门到现场对接交底，依据既有管线资料对各个钻孔进行风险排查［9］。

由于我国城市建设进程较快，老旧城区管线设计、施工未能跟上城市发展的步伐，导致实际管线位置与原有图纸存在比较严重的偏差，甚至有些地下管线因时间相隔较远，图纸已丢失［10］。也可能有些新埋设的地下管线还没完成资料归档，导致未能及时收集到。以上这些因素也就导致通过收集地下管线资料进行钻孔风险排查仍存在发生钻探损坏管线的安全隐患。

1.2 地下管线探测

根据收集的地下管线资料进行管线排查是开展勘察工作的第一道工序，但收集的资料仍存在不全或不准确的情况。经与权属单位现场核实发现缺失图纸或位置不明确或偏差较大时，就需采用物探方法进一步排查钻孔位置下的地下管线。地下管线探测常用的方法主要有电磁感应法、电磁波法、地震波法、直接量取法、示踪法、轨迹法及井中磁梯度法等。对于无明显点的隐蔽地下管线常用和有效的方法主要是电磁感应法、地震波法和电磁波法，示踪法和轨迹法主要用于有空腔，仪器能进入管道内部调下，直接量取法则主要用于排水管道明显点［11-12］。采用电磁感应法、地震波法、电磁波法等物探方法进行地下管线探测，均为依靠物理场间接获取地下管线位置的方法，其易受到探测对象与周边土体性质差异、周边环境干扰、管线埋深较大、人为操作误差及管线交错繁杂等因素影响，现有的探测仪器及方法仍存在一定的局限性和不确定性［13-14］。

1.3 人工挖探

经地下管线资料收集和探测后仍不能完全排除孔位地下管线风险，所以根据收集的地下管线资料和管线探测成果确定勘探点孔位后还不宜直接采用机械钻进。为了进一步保障钻探不损坏地下管线，城市环境条件下勘察作业还常采用人工开挖探坑方式进行管线排查。通过人工开挖铲除上部土体，可直接查看勘探点位一定深度范围内有无地下管线设施，以此方式可较大程度的避开大多数管线［15］。但在城市环境下开挖探坑易受城市道路、场地建筑、地下管线等限制，开挖面一般不允许过大，边长不宜超过1.0 m，并且单靠人工挖探，探孔深度一般不超过2.0～2.5 m，探孔开挖深度越深，所需的开挖工作面越大，所以采用人工开挖探坑方式排查地下管线也存在一定的限制条件。广州市城市轨道交通项目勘察工作要求钻探开孔执行“挖三贯六”措施。“挖三”即为采用人工挖探方式挖至地面以下3.0 m，首先是采用风镐破除路面达到填土层，再采用铁锹、撬棍、风镐等工具实施开挖，一般开挖至1.5～2.0 m 深度后，人工开挖作业所使用的工具功能受限，接着采用洛阳铲在开挖探坑内向下进行洞探，洞探深度需挖至地面以下3.0 m，口径不小于150 mm。在开挖过程中如遇到地下管线或未知障碍物时，则应移位重新开挖，直至安全挖探至3.0 m。“贯六”是指钻机就位原挖探孔位后，采用重锤锤击岩芯管或套管至地面以下6.0 m 深度。实施锤击贯入前岩芯管或套管需对准经人工开挖至3.0 m 探坑的中心位置，严禁采用重锤大距离下落击进，开孔过程需技术人员全程旁站，遇到跳锤或难于击进等异常情况时，需分析具体原因，如无法确定遇到障碍物为非管线或非地下建筑等设施时，则应停止击进，更换孔位重新按照作业流程开孔。

综上所述，在城市环境条件下开展勘察工作时，地下管线资料收集、地下管线探测、人工挖探均无法保证能完全排除地下管线风险。实际工程中也是联合以上方式逐步排查，最大限度地保障勘察现场工作安全。一般排查步骤为：①进行地下管线现况调绘及资料的收集；②再开展地下管线探测；③综合收集的地下管线资料和探测成果，选定勘探点位，再实施人工挖探，挖探到既定深度后方可开展机械钻探。人工挖探为勘探点管线排查最后一道工序，也是最为直接排查地下管线风险的方式，但其也存在一定缺陷，如上所述，当“挖三”或“贯六”过程中遇有不明障碍物时，为保证开孔安全，一般都是采取移位重新挖探方式处理，这样也就直接影响施工进度和造成人力、物力的浪费。为此，本文提出采用微小极距四探针方法获取挖探或击进过程所遇障碍物视电阻率值，以此为依据判断其是否为地下管线，为工程勘察开孔过程中地下管线排查提供了一道新的工序。

2 微小极距四探针方法

微小极距四探针方法是基于地球物理勘探方法中的电法勘探为基础形成的一种测试方法。其主要是以目标体的导电性为依据，通过微小极距电极人工向目标体加载直流电流，再用相应仪器观测微小极距电极相对位置的电位大小，以此获取目标体的视电阻率值，从而推断目标体的材质。

四探针电阻率测试采用的是直流四极法视电阻率测试原理。四探针法采用4个等距排列的微小电极贴合待测障碍物表面进行测试，给外侧2 个探针施加恒流电压并测得回路电流值Ι，内侧2个探针测试其电压值U，根据式⑴即可得出待测障碍物视电阻率值ρ。

式中：a为微小电极间距；U为内侧2 个探针M、N 间的电势差；Ι为外侧2 个探针A、B 间的电流，如图1 所示［16-17］。基于四极法测试电阻率原理，实际工作中把4 根小型铜电极固定在塑料板上，电极距（探针间距）设定为10 mm，固定电极塑料板连与伸缩探杆连接，用于下放塑料板电极探头置于挖探孔洞中的障碍物上，使4根电极探针均与障碍物接触，从而形成视电阻率测试回路。

图1 四探针法测量示意图Fig.1 Measurement Diagram of Four-probe Method

地下管线的材质主要由铸铁、钢材、水泥、陶瓷、塑料等构成，诸如金属、非金属管线材质与地下土体或石块等的电性差异较大，如勘探孔遇至障碍物，依据四极法测试的障碍物视电阻率值即可推断其介质材料，判定其是否为地下管线，为挖探或锤击提供处理障碍物的决策依据。

微小极距四探针方法测试设备主要包括两部分：①上述介绍的微小极距电极探头；②用于测量电极间电位差、电流或电阻率值的测试仪。

目前市场上常用的电法仪一般都具备测量电位、电流及电阻率值功能，如多功能数字直流激电仪（WDJD）和高密度电法仪（AGI）等。该类仪器主要用于观测和研究地质构造、矿产勘探地球物理场的变化，测试精度和测量范围值与微小极距获得的物理值不相匹配，且设备重量偏重，不利于工程勘察开孔作业现场灵活作业。为此，通过自行设计生产成套探孔管线识别仪主机（见图2），其重量为1.5 kg，电压测量范围±5 V，电压精度≤100 nV，电流测量范围0～5 000 mA，测量电流分辨率100 nA，电流精度2 nA，输入阻抗≥10 MΩ，电阻测量范围为10-6～106Ω。采用伸缩杆把手连接上述微小极距电极探头板，4根微小电极引出连接线可与测量主机的4个接线柱连接，微小极距四探针法测试探杆如图3所示。

图2 探孔管线识别仪Fig.2 Identification Instrument

图3 微小极距四探针法探杆Fig.3 Micro Pole Distance Four Probe Method for Borehole Pipeline

3 应用实例

基于基础理论采用上述研制的微小极距四探针探杆和探孔管线识别仪主机可实现探孔障碍物目标体的视电阻率测试，从而达到推测所遇障碍物材质目的。为验证设备的实际应用效果，取铸铁管、PVC 管、不锈钢管、干混凝土管及湿润土5 种介质开展电阻率值测试试验，各介质测试视电阻率值如表1 所示。金属材质管线（铸铁、不锈钢）、非金属材质管线（PVC、混凝土）与湿土之间的相互差异明显，依据测试获取的视电阻率值可直观的区分和判断被测目标体的材质大类，因此对于勘察探孔中所遇障碍物采用该方法进行管线识别是可行的。

表1 各材质测试视电阻率值Tab.1 Test Apparent Resistivity of Each Material

广州某城际线路工程全长42.4 km，全线为地下线，跨越荔湾区、越秀区、白云区，线路主要沿市政道路和下穿密集房屋区，勘察场地环境条件复杂，地下管线密集分布。勘察期间严格按照管线资料收集整理、现场管线探测及执行“挖三贯六”开孔流程进行管线排查，同时在“挖三贯六”过程中配合使用微小极距四探针方法识别挖探过程中所遇障碍物，提供人工开挖决策依据。

该城际项目某钻孔实施人工挖探至1.20 m 深度，因挖探工具受限，随后采用洛阳铲继续向下挖探，在挖至地面以下约1.80 m 深度时遇到较硬障碍物，挖探工作被迫暂停。因未知所遇障碍物是否为管线，不能使用重锤击进和机械钻进，为此项目组利用探孔管线识别仪对所遇障碍物进行探查，分别进行了5 次数据采集，测得视电阻率为218.52～1 457.49 Ω·m，平均值为890.67 Ω·m，依据视电阻率值基本排除所遇障碍物为PVC 类非金属管线或铸铁类金属管线，为此，建议施工班组不需移位，在原挖坑位置向四周扩大挖探孔处理，结果扩大原挖探孔后在障碍物旁侧顺利继续下探至到要求深度的3.0 m 位置。挖穿后经扩孔察看原遇障碍物实际为回填的石块，与探孔管线识别仪判断为非管线结论一致，为继续原位挖探施工决策提供了依据，避免移位重新开孔环节，保障了该孔钻探工作的顺利实施，如图4所示。

图4 探测现场Fig.4 Detection Site

4 结论

在城市环境下开展勘察作业，地下管线保护一直是勘察单位所关注的一大重点。在地下管线资料收集、地下管线探测、人工开挖排查地下管线的基础上，采用微小极距四极探针方法对挖探过程中所遇障碍物进行识别，以此指导人工挖探或机械击进遇到障碍物时的决策，具有一定的创新性，也为城市环境勘察中规避地下管线提供了又一道防线。

⑴依据四探针方法原理，采用微小极距四探针方法是可以较直接测得被测对象的视电阻率值，具有科学理论基础和实际可操作性。

⑵管线材质不同对应的电性参数也不同，一般适用的金属和非金属材质之间电性差异明显，其与常规填土间差异也可区分，为采用微小极距四探针方法的应用提供了物性前提。

⑶微小极距四极探针方法应用于广州某城际项目中，取得了较好的效果，但实际工作中，对于地下水位以下的障碍物，由于水体易引起“短路”，测取的电阻率值偏差加大，后续还需开展进一步研究，拓展该方法适用于地下水位以下环境。