綜合物探技術(shù)在城市水務(wù)工程中的應(yīng)用和展望

顧小雙

(上海山南勘測設(shè)計有限公司，上海 201206)

0 引言

目前，綜合物探技術(shù)在市政工程中已得到了廣泛應(yīng)用，但在城市水務(wù)工程應(yīng)用中起步較晚。根據(jù)上海市水務(wù)“十三五”規(guī)劃安排，到“十三五”末，上?；窘ǔ膳c“四個中心”和社會主義現(xiàn)代化國際大都市定位相適應(yīng)的現(xiàn)代水務(wù)服務(wù)保障體系，努力實現(xiàn)供水服務(wù)安全優(yōu)質(zhì)、防汛保障完備可靠、河道環(huán)境生態(tài)良好等發(fā)展目標[1]。隨著上海城市更新的推動力不斷加大，水利工程從傳統(tǒng)防洪排澇逐步向濱水空間、環(huán)境生態(tài)功能轉(zhuǎn)變，工程建設(shè)地點也從郊區(qū)、空閑用地或江河口逐步向城市中心城區(qū)轉(zhuǎn)移，管線搬遷和原有地下空間結(jié)構(gòu)對方案布置和投資的影響越來越大[2]。綜合物探方法能夠快速布置、高效實施，且具有安全經(jīng)濟的特點，是掌握地下管線和障礙物資料十分有效的技術(shù)手段[3]。工程物探技術(shù)是以探測目標與周圍地層存在的物性差異為前提，通過觀測和分析異常地球物理場來解決工程地質(zhì)相關(guān)問題，通常用于以下幾個方面的巖土工程勘察：(1)了解暗浜(塘)、鋼渣填土等地質(zhì)界線，地下障礙物、舊基礎(chǔ)分布及檢驗復(fù)合地基加固效果；(2)探測地下管線、地下設(shè)施或障礙物等；(3)探查基礎(chǔ)裂縫；(4)測定巖土體波速、土層電阻率等。本文重點研究綜合物探技術(shù)在城市水務(wù)工程中地下管線和障礙物探測中的應(yīng)用問題。

1 地下管線及障礙物常見類型

隨著上海城市功能的不斷完善，地下管線類型也不斷增加。上海水務(wù)工程中涉及到的常見地下管線已經(jīng)達到30余種，根據(jù)其用途劃分為排水管道、燃氣管道、供水管道、通訊管線、工業(yè)、熱力以及電力管線等；按管線材質(zhì)分為金屬管線、砼制管道以及新材料如PE管線等；埋深從0.5 m左右至幾十米等。由于非開挖管線埋深變化大，路由不規(guī)則，管線明顯點出露少。采用鉆探、開挖樣洞需要破壞地面路面，施工成本、影響面較大，不具備全工程區(qū)域?qū)嵤┑目赡苄浴?/p>

上海建城歷史悠久，地下空間開發(fā)較早，地下建筑物等所產(chǎn)生的障礙物種類特別復(fù)雜。水務(wù)工程中主要涉及各類建(構(gòu))筑物、市政、交通、其他水利工程等設(shè)施基礎(chǔ)形式及圍護結(jié)構(gòu)以及軍用設(shè)施、廢棄結(jié)構(gòu)等。地下障礙物勘察可以采用資料調(diào)查、實地測繪、鉆探和物探等多種方法進行。但實際存在多種不可控或不確定因素，如較多建筑物建設(shè)年代久遠，資料缺失或不齊；實地測繪僅能測繪表面現(xiàn)有構(gòu)筑物，地下結(jié)構(gòu)需要推測；鉆探存在只能局部了解，對原結(jié)構(gòu)可能破壞的缺點。

物探工作具有高效、快速、經(jīng)濟等優(yōu)點，既可以滿足水務(wù)工程規(guī)劃階段的管線綜合需要，又能為實施階段設(shè)計方案布置和安全施工提供服務(wù)，在解決障礙物勘察難題中可以發(fā)揮獨特的作用。

2 綜合物探技術(shù)方法應(yīng)用

2.1 電磁感應(yīng)法

電磁感應(yīng)法是工程管線探測中常用的一種方法。其原理是：當管線儀接收機中的水平線圈在通電導(dǎo)線的正上方時，信號最強，由此判斷管線平面位置，利用接收機不同高度的兩個水平線圈的測量值和高度差，用d=xEt/(Eb-Et)計算出管線深度。該方法操作方便、應(yīng)用范圍廣，優(yōu)點是探測效果好、效率高，缺點是只能用于淺埋段的電纜和金屬管線探測，不適用于非金屬管線和埋深較深的管線。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是電磁感應(yīng)法在時間域的延伸，它利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在其間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。該方法不受現(xiàn)場場地條件影響，異常響應(yīng)強，形態(tài)簡單，分辨力高，剖面測量和測深工作能同時完成，且不受高阻層的屏蔽影響，能穿透高阻層，結(jié)合空間多次覆蓋技術(shù)，可提供更多有用信息。

2.3 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是通過發(fā)射天線以寬頻帶短脈沖形式向地下發(fā)射電磁波，地下介質(zhì)將一部分電磁波反射回地面，并被接收天線所接收，地質(zhì)雷達所接收的信號就是地下介質(zhì)所反射回來的電磁波信號，當遇到電性差異較大的界面或目標體時通常產(chǎn)生較強的電磁波信號，通過分析反射電磁波信號的能量、頻率等不同參數(shù)，區(qū)分地下異常體的具體情況。地質(zhì)雷達法具有快速、高效的優(yōu)點，但探測效果受天線頻率制約和環(huán)境干擾因素影響較大[4]。

2.4 高密度電法

圖1 高密度電法探查障礙物示意圖

2.5 導(dǎo)向儀法

導(dǎo)向儀信標(也稱傳感器)發(fā)出特定頻率的電磁波信號，通過在地面上探查該信號的強度與分布即可知其深度與位置。探測前先選擇場地探測條件干擾少的位置，接收器和信標(即傳感器)進行單點校準，校準后再進行定位檢查，一般將接收器平行放在距傳感器3.0 m或6.0 m處，檢查實際探測距離，滿足精度要求才可施測。(見圖2)

圖2 導(dǎo)向儀法探測示意圖

2.6 慣性陀螺儀法

針對穿越道路、河道的非開挖管線，由于現(xiàn)場施工條件的限制(例如水域部分)或埋深超過導(dǎo)向儀有效探測范圍，宜采用慣性陀螺儀法解決。慣性陀螺儀探測，無需探測人員進行地面追蹤，不受場地條件、交通、天氣和光線等因素影響，對管線材質(zhì)、管線埋深和周圍地質(zhì)條件無限制，相對其他方法而言，測量精度較高。但同時，陀螺儀存在需要有預(yù)留空孔、儀器相對較昂貴等不足。

2.7 井中探測法

井中探測法目前使用較為廣泛的有井中磁梯度法和跨孔電阻率CT法。

(1)井中磁梯度法

井中磁梯度法對于超深金屬管線和地下障礙物探測效果較好。施測時，首先將磁力梯度設(shè)備安置于鉆孔中，通過磁梯度儀對地下金屬管線(或帶有金屬介質(zhì)的地下障礙物)進行測量，獲取其在豎直方向上的變化信息[6]。磁梯度曲線顯示，相對背景場含鐵磁性的目標體表現(xiàn)出高磁異常，根據(jù)這些變化就可以確定地下管線或者障礙物的分布情況。

(2)跨孔電阻率CT探測法

跨孔電阻率CT是將帶一定間隔數(shù)量電極的多芯電纜同時布設(shè)在兩個鉆孔中，多芯電纜連接地面主機，兩井電極形成井間電極陣。數(shù)據(jù)采集時，在兩組電極中各選一個電極作為供電電極A和B，測量任意電極N與測量電極M組合間電流、電壓數(shù)，與地面阻率探測相比，電阻率跨孔CT探測方法操作相對方便，但會受地下環(huán)境干擾影響，目前應(yīng)用尚不廣泛。未來隨著技術(shù)的改進，在精細探查、非金屬管線探測、地下空洞探測等方面具有良好的應(yīng)用前景。

3 應(yīng)用案例

以某大型污水處理廠污水調(diào)蓄池提標改造工程為例，通過探查工程范圍內(nèi)的地下管線和地下障礙物，為工程設(shè)計和施工提供依據(jù)。主要包括污泥暫存場水泥界面深度及分布、路面下沉探測、地下箱涵基礎(chǔ)探測、跨河非開挖管線探測以及河岸基礎(chǔ)探測。

地下管線探查在充分搜集和分析已有資料的基礎(chǔ)上，采用實地調(diào)查和儀器探測相結(jié)合的方法進行。明顯管線點采用實地調(diào)查和量測的方法，隱蔽管線點采用儀器探測的方法，其中金屬管線主要采用管線探測儀探測，非金屬管線主要采用地質(zhì)雷達、導(dǎo)向儀法和慣性陀螺儀法探測。障礙物探測亦在充分搜集和分析已有資料的基礎(chǔ)上，因地制宜采用合適的物探技術(shù)(地質(zhì)雷達、高密度電法、磁梯度)進行探測或驗證。

3.1 污泥暫存場水泥界面深度及分布情況

因污泥含水飽和，雷達波衰減迅速，探測深度不足，且不能分辨出水-泥、泥-池底分界面；高密度電法電極需要同介質(zhì)耦合，因污水池表面包裹一層厚塑膜，測試無法實施。瞬變電磁法無需對厚塑膜進行破壞，無需爆破或錘擊震源，探測深度大，對水-泥、泥-池底界面分辨明顯，滿足項目探測需求。瞬變電磁法探測反演成果見圖3，電阻率等值線規(guī)則、稀疏、完整，能有效反映出水-泥界面在1.85～1.90 m，池底界面在 5.20～5.45 m。

圖3 瞬變電磁法探測反演成果圖

3.2 路面下沉探測

該路段地層主要由粉土、粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，初步分析得知某段排水管道損壞滲水導(dǎo)致路面以下土體流失。施測時采用瑞典MALA MIRA三維探地雷達，地質(zhì)雷達測線垂直/平行于塌陷區(qū)排水管道走向，中心頻率400 MHz天線采用沿測線測量輪方式探測，根據(jù)現(xiàn)場試驗獲得如下技術(shù)參數(shù)：采樣頻率6000 MHz，間隔5 cm，時窗90 ns，2次疊加覆蓋。從圖4可以看出，在距離起點404～410 m段埋深0.5～1.2 m處反射波同相軸呈現(xiàn)凹陷形態(tài)，同相軸部分錯斷，據(jù)此推測該處地層出現(xiàn)塌陷。后期經(jīng)鉆探驗證，在該段路面埋深0.6 m處發(fā)現(xiàn)空洞，采用注漿填充進行處理。

圖4 地質(zhì)雷達剖面影像圖

3.3 地下箱涵基礎(chǔ)探測

一條寬約4000 mm的箱涵，埋深不詳，地下地質(zhì)情況復(fù)雜，明顯點較少，水流速度慢，干擾源豐富，為物探法探測帶來極大難度。采用地質(zhì)雷達法探測，在1.0 m以上還可分辨出地層和部分異常特征；1.0 m以下電磁波穿透能力逐漸變?nèi)?，所得影像模糊，難以分辨出異常物體。因此選用高密度電法進行探測。從高密度電法探測斷面成果可見，場地視電阻率自上而下呈層狀分布，表層及上部電阻率高，隨著深度增大，視電阻率逐漸減小(見圖5)。淺部高阻區(qū)呈多個封閉狀，且不規(guī)則間斷分布。綜合分析認為，表層及淺層范圍的高阻區(qū)由建筑垃圾、房屋基礎(chǔ)和地板、道路基礎(chǔ)及路面引起，埋深0～1.0 m；在2.0 m以下，視電阻率明顯變小，等值線規(guī)則平滑，表明深部土層較均勻、完整，含水率較大。在斷面12—18測點之間存在一明顯高于周邊的高阻方形區(qū)，在3 m以下又與周邊范圍沒有差別，由此可推斷此處為箱涵的位置(見圖5)。通過開挖得到證實，與解譯結(jié)果一致。

圖5 高密度電法探測斷面成果圖

3.4 跨河非開挖管線探測

一輸電專用纜，等級較高，跨河埋設(shè)，長約250 m，由于導(dǎo)向儀隨著目標管線埋深的增加其探測精度降低，位置誤差可達2.5 m左右，不能滿足設(shè)計需求。需要提高探測精度以評估該電力管線對污水總管的影響，從而制定搬遷或保護方案。為此，采用Reduct ABM-90陀螺儀，利用空孔進行探測。先后采集了兩個來回，共計4條數(shù)據(jù)進行均值處理，均方誤差小于0.5 m，成果見圖6。

圖6 陀螺儀探測成果圖

3.5 河岸基礎(chǔ)探測

井中磁梯度法探測廠區(qū)西北側(cè)的河岸基礎(chǔ)。磁梯度探測采用CCT-4型磁梯度儀，點距0.1 m，測孔深度19 m。磁梯度探測曲線的成果如圖7所示，測孔4.0 m以上測值明顯較大，從4.0 m以下測值強度逐漸衰弱，因此可以判斷，河岸加固基礎(chǔ)埋深4.0 m左右，探明了河岸基礎(chǔ)的深度。

圖7 河岸基礎(chǔ)磁梯度探測成果圖

4 結(jié)論與展望

(1)在復(fù)雜城市環(huán)境下建設(shè)水務(wù)工程，采取綜合物探方法掌握各類地下管線及地下障礙情況，對于工程線路的優(yōu)化布置、設(shè)計方案的經(jīng)濟合理性和施工安全起到了重要作用。物探方法在水務(wù)工程上的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)勘察方法的缺陷和不足，也推動了物探技術(shù)本身的進步和發(fā)展。

(2)探測環(huán)境復(fù)雜和PE等新材料應(yīng)用與儀器設(shè)備局限矛盾是目前物探技術(shù)應(yīng)用的難點。物探設(shè)備和科研單位應(yīng)研發(fā)更多抗干擾強的通用物探設(shè)備，增強探測能力；技術(shù)承擔單位應(yīng)會同相關(guān)單位利用大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM應(yīng)用平臺等進行物探技術(shù)融合，綜合解決物探難題。

(3)物探技術(shù)從滿足水務(wù)規(guī)劃設(shè)計、施工逐步朝向工程全生命周期的“健康診斷”方向發(fā)展，最終培育形成綜合性“水利工程醫(yī)院”及“水務(wù)工程生態(tài)健康體”。