大型排水箱涵空间走向探查方法研究

刘传逢，陈梅，刘文光

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

大型排水箱涵空间走向探查方法研究

刘传逢∗，陈梅，刘文光

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

针对城市大型排水箱涵探查难题提出两种解决此类问题的方法，一是利用管线探测仪一次交变磁场为箱涵定位，二是利用辅助线缆二次交变磁场实现对目标箱涵的定位。通过实验，验证了利用管线探测仪辅以对讲机探查地下隧道的可行性，并成功将该方法应用到了工程实例中，试验与实践证明了该方法可行。

大型排水箱涵；对讲机；管线探测仪；交变电磁场

1 前 言

在城市道路路中地下空间10 m内往往被承担城市排涝任务的大型排水箱涵占据，而路中往往是立交桥与高架桥桩基础布设的位置，因此摸清路中排水箱涵覆土深度、走向、断面尺寸是城市立交桥或高架桥规划设计的必要前提。管线探查遵循“从已知到未知”的原则，已知条件越多探查效率与精度越高，排水箱涵调查方法主要依靠开井量测。因此查清其走向与尺寸的重要前提是明显检修井较多且井内通视条件好，但现实中往往不具备上述条件。如我们在武汉市排水箱涵探查中遇到很多难题，包括:

(1)路面铺黑致使大量检修井被覆盖，即使使用井盖仪找到井盖也难以开挖；

(2)井偏现象居多，开井后难以量测到箱涵尺寸、难以看清支流方向；

(3)箱涵拐弯处或支流与主流交界处往往有一定弧度，开井调查难以调查清楚，雷达探查效率低且定点密度与精度难以满足设计与施工需求；

(4)示踪法探头缺乏动力且不能准确移动到箱涵壁或中间。针对上述困难，本人根据管线仪探测原理，结合试验与工程实践总结了一套大型排水箱涵的探查方法。

2 大型箱涵探查方法的设想

2.1 方法设想

众所周知，金属管线仪可以有效解决金属管线的探测问题，其原理是给目标管线施加信号，利用接收机地面接收载流管线的二次交变磁场，根据电磁感应定律与电磁场空间分布规律实现对管线的定位定深。可以看出，管线探测关键是使目标管线载有电流或携带某种可探测与分析的信号，由此我们考虑如果能够人为给排水箱涵壁或中间施加信号，就可利用管线仪实现对排水箱涵的准确定位。设想方法有两种，一是沿箱涵壁或中间布设电缆线，利用充电法(或夹钳法)给线缆充电，使线缆载有电流实现对箱涵的准确定位与定深。二是工作人员将管线仪发射机带入箱涵并沿箱涵前进，地面工作人员利用管线仪追踪发射机一次场实现对箱涵的定位。

2.2 理论基础与操作方法

第一种方法理论基础是频率域电磁法中的充电法。操作方法如图1先开启箱涵两个检修井，工作人员在确保安全的前提下沿箱涵壁布设电缆，一端连接在一个检修井盖(或直接放入箱涵水中)作为接地极，另一端接在管线仪发射机，发射机接地极接地，开启发射机并利用接收机在地面追踪目标电缆，实现对箱涵的定位与定深。

图1 辅助线缆充电法探测箱涵示意图

第二种方法理论基础仍然是频率域电磁法，不同之处是接收机接收发射机发射的一次交变场，该方法原理上相当于磁偶极子示踪法。磁偶极子的磁场分布特点，如图2所示，设在XOZ平面的原点处有一个垂直磁偶极子，则在该平面内磁场的垂直分量HZ和水平分量HX分别如下式所示:

图2 直角坐标中的磁偶极子

由式(1)和式(2)可以看到，磁偶极子场有如下特点:

(1)空间任意一点P处的磁场，与磁偶极矩M成正比，而与磁偶极子中心到P的距离r的三次方成反比(即随距离的增加，衰减很快)换言之，磁偶极子场的能量很集中。

(2)从磁偶极子中心发出的任意射线上，磁力线的方向均一致，其中有三种最特殊的位置。

①在磁偶极子轴线上(即线圈轴线上，或称高斯第一位置)

②在磁偶极子垂直面上(即线圈平面内，磁偶极子的磁力线图或称高斯第二位置)

地下水平磁偶极子MX在地表面的磁场分布情况，假设三维坐标原点O的正下方h深处有一个水平磁偶极子，则在XOZ平面内，磁力线的分布如图3所示。在过原点O的x和y的两条主剖面线上，我们可以观测到磁场水平分量和垂直分量相应公式如下:

图3 地下MX的磁力线分布图

当各分量均与HX的极大值归一后，所得曲线如图4所示。

图4 地下MX在地面上各分量的归一化曲线

图4可看出在水平磁偶极子正上方(X＝0)时磁场水平分量取得最大值，且偏向两侧磁场衰减很快，也就是当接收机在发射机正上方时信号最强，地面上沿发射机轴线前后信号逐渐衰减，且地面上垂直发射机轴线方向信号衰减很快，这正是利用一次交变磁场定位的原理。

操作方法如图5一个作业员在安全措施周密的前提下携带管线仪发射机进入箱涵，发射机紧靠箱涵壁(或记录发射机中心与箱涵壁的距离)，地面作业员利用接收机接收发射机信号，利用峰值法实现对发射机的准确定位，从而实现对箱涵壁的定位。辅助工具是无线电通讯设备，保持地面上地面下作业员通讯通畅，并且两作业员尽量同步前进。

图5 利用一次场实现箱涵定位示意图

3 大型箱涵探查方法试验与工程实例

3.1 方法试验

2009年7月笔者在武汉王青路电力隧道竣工测量项目工地进行了该方法试验。利用频率域电磁法，借助对讲机通讯联络，隧道内、地面上分别利用管线仪的发射机、接收机同步前进，根据一次场分布特点，实现快速对电力隧道的定位与定深。实地探测长度50 m，定点5点，探测定位比对竣工测量资料，结果显示5点定位精度均小于0.1 m，满足有关技术要求。

3.2 工程实例

为配合武汉市二环线建设，武汉市勘测设计研究院承担了二环线汉口段地下管线探测任务。二环线拟采取全程高架模式建于路中，发展大道与常青路交叉口排水箱涵分布复杂，沿常青路分布有14 m×2.8 m的排水箱涵(机场河箱涵)，发展大道路中分布有2.8 m ×2.0 m排水箱涵，在常青路口汇流于机场河排水箱涵，图中线条为排水箱涵边线，如图6所示。

图6 工程实例

管线探查时，由于路面黑色化检修井P2、P3被覆盖，P1井及P3上游的检修井均距机场河排水箱涵不足50 m，因此探测员将发展大道箱涵直连入机场河箱涵(图6中PS砖BH14000X2800箱涵)。在该路口高架桥设计异常困难，路中地下空间 3.8 m(内宽2.8 m，壁厚约0.5 m)范围被箱涵所占，两侧桥墩基础紧挨箱涵壁布设。B104＃墩基础位于P1井与机场河箱涵之间，施工时发现地下有箱涵，因此要求现场重新准确调查该箱涵走向。此时因二环线施工开挖露出P2、P3检修井，同时打开P1、P2、P3检修井，工作人员携带管线仪发射机分别从P1、P3井进入箱涵，与地面工作人员配合，接收发射机一次场，成功实现了对该段箱涵的准确定位。结果显示箱涵在该段变向连接主箱涵，原先设计B104＃墩基础果然有一半压盖在该箱涵上。改正后的箱涵走向准确，为该段高架桥桥墩修改设计与施工提供了重要依据。

4 结 论

根据方法实验与工程应用情况来看，利用管线探测仪一次交变磁场对地下箱涵定位方法是有效、可行的，笔者将在后续工作中进行利用辅助线缆二次交变磁场实现对目标箱涵的定位的方法研究。

[1] 李志华，宋恒力，鲁永康.FDEM法探测地下管线的方法技术综述[A].中国地球物理学会第22届年会论文集，2006

[2] 王法刚，叶国弘.频率域电磁法在探测地下管线中的应用[J].岩石力学与工程学报，2001，s1

The Study of Large Drainage Culvert Space Exploration Methods

Liu Chuanfeng，Chen Mei，Liu Wenguang
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

The urban problems of large drainage culvert propose two exploratory methods to solve this problem。First，use Alternating electromagnetic field generated by the transmitter to detector positioning for the culvert，and second，use the auxiliary cable alternating magnetic field to achieve the culvert location.By the experiments，Validate the use of pipeline detector combined with radio probe the feasibility of underground tunnels，and successfully The method is applied to the engineering example，the test and practice show that the method is feasible.

large drainage culvert；interphone；pipeline detector；alternating electromagnetic field

2011—01—23

刘传逢(1976—)，男，高级工程师，主要从事城市工程物探与地下工程测量技术工作。

1672－8262(2011)05－145－03

P631.3＋25

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