四探針電阻率測試管線識別技術

姚 金，張 華

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

隨著城市化的發展，城市工程建設日益頻繁。勘察作為工程建設的前期工作必不可少，如何保障城市勘察工作的安全已越來越受到重視，尤其是對地下管線或建（構）筑物設施的保護，各大主要城市針對城區施工建設活動相應制定了有關地下管線保護制度。如廣州市人民政府辦公廳于2022 年發布了《廣州市人民政府辦公廳關于進一步加強地下管線保護的實施意見》，文件明確要求需落實鉆探作業安全管理。建設工程行業主管部門和地質勘查主管部門要建立勘察工作監督檢查制度，加強工程現場勘察管理，將鉆探作業納入各自行業領域工程監管體系，監督抽查建設單位（或地質勘查項目業主）落實地下管線保護措施情況。文件還明確勘察單位對勘察期間地下管線保護負主體責任，在地下管線安全保護范圍和安全控制范圍內作業，應按建設單位與管線權屬單位簽訂的地下管線保護協議，落實地下管線保護措施，防止勘察時破壞地下管線[1]。當前，在城市勘察工作中，為避免破壞地下管線主要采用管線資料搜集、管線探測、權屬確認和人工挖探等措施。管線資料搜集即向建設單位、規劃部門、管線權屬單位等搜集對應工程范圍既有管線圖成果。由于部分的地下管線年代久遠，其施工資料或已丟失，或較陳舊，也有些是并未經過測量而直接標注的示意圖，因而有些資料顯示的地下管線與實際位置不相符合，且有些新近埋設的地下管線資料尚未歸檔，無法及時搜集到，這也可能造成勘察期間實際利用時準確度不高[2]。管線探測主要采用管線儀或地質雷達實施現場探查，受場地條件或技術手段限制，對于非金屬管或埋深大于3 m以下的管線易出現漏探情況。權屬確認主要是由勘察單位邀請各類管線權屬單位進行現場確認管線位置，該項工作受管線權屬單位的配合程度影響，而且遇有老舊管線，權屬單位有時也缺少資料，未能準確指認具體位置。人工挖探是最為直接的方法，人工挖探方式因其可直接排查管線風險已逐漸被各大城市所采用。人工挖探受城市道路、建筑場地、管線等限制，開挖面一般不允許過大，這直接影響到開挖深度，一般開挖探坑多在2 m 左右，對于2 m 以下管線的排查則采用洛陽鏟進行洞探。進行洞探時常常遇到填石、管線等障礙物而未能挖探到預定深度，一旦遇到障礙物因不能確定是否為填石或管線，往往都是移位再重新挖探，直接影響工程進度和浪費人力、物力等[3-4]。針對開孔挖探到一定深度遇有未知障礙物，筆者通過研究分析四探針電阻率測試理論，采用微極距四極探針技術可直接測得地下障礙物電阻率值，以此間接判斷遇到障礙物的材質，可進一步分析其為管線的可能性，為挖探工作提供決策依據，減少重新移位開孔的概率。

1 城區勘察開孔作業

城市地下管線包括給水、排水、燃氣、熱力、電信、電力和工業管道等幾大類，其就像人體內的“神經”和“血管”，日夜擔負著傳遞信息和輸送能量的工作，是城市賴以生存和發展的物質基礎，被稱為城市的“生命線”。由于管線工程分布在地下，屬于隱蔽工程，常規勘測方法無法準確獲得地下管線分布具體情況。在實際工作中發現很多城市原有管線資料不夠完善，不能準確反映管線實際情況，信息老化、資料不全就不能完全依靠收集的資料，城市環境下勘察單位必須進行現場勘查和采取相應防范鉆損地下管線的措施。城市地下管線一般位于市政道路下的0.5～3 m 之間，也有一些埋設于3 m 以下的管線，如非開挖敷設的頂管等。在工程勘察施工中，通常使用鉆機設備從地表向地下鉆孔，由于城市近地表情況復雜，且常需鉆開混凝土、填石等堅硬物，所以鉆頭一般為金剛石鉆頭，硬度和剛度都非常大，具有很強的破壞力，因此一旦觸碰到地下管線，必然會對其造成損傷。廣州地鐵設計研究院股份有限公司（以下簡稱“我院”）長期從事地鐵項目勘察，主要勘察作業環境都在城區，通過經驗積累形成了一套行之有效的城區勘察作業開孔流程[5-6]。

1.1 前期準備

勘察進場作業前需做好管線保護的前期準備工作，主要包括地下管線資料收集、鉆孔周邊管線復雜程度分級、孔位管線現場排查、移位報批。

1.1.1 地下管線資料收集

收集勘察區域管線成果資料是勘察作業前期必不可少的工作之一。一般情況下，建設單位或勘察總體單位在勘察施工前均會向勘察單位提供管線成果資料。當建設單位無法提供時，勘察單位應向規劃部門或相應權屬單位進行收集并整理。基于地下管線的復雜性、時效性及探測技術的局限性，收集到的管線成果資料仍存在與實際不符的情況，勘察單位需充分認識到這一點，避免完全相信和套用收集到的地下管線資料，從而造成損失。

1.1.2 鉆孔地下管線排查

在獲取地下管線成果圖后，應把鉆孔疊加至管線圖上，查看孔位管線情況。基于管線圖可能存在的偏差，勘察單位施工前還應在現場對照管線資料復核和排查孔位管線。現場排查手段主要包括儀器探測、開井蓋確認、邀請權屬單位現場確認，通過排查進一步完善孔位管線成果資料。

1.1.3 鉆孔周邊管線復雜程度分級

經過排查進一步摸清鉆孔周邊管線后，依據鉆孔與既有管線的關系對各孔進行分級處理，如規定距鉆孔中心5m 以內分布有軍事、燃氣、輸油和高等級通信、壓力管線及頂管法、定向鉆法鋪設的管線，且距鉆孔中心2 m 以內無上述管線的檢查井，此類鉆孔定為鉆孔周邊管線復雜程度為Ⅰ級。上述管線在鉆孔中心2m 以內有對應管線檢查井，此類鉆孔周邊管線復雜程度定為Ⅱ級。如軍事、燃氣、輸油和高等級通信、壓力管線及頂管法、定向鉆法鋪設的管線距離鉆孔中心15m 以上，此類鉆孔周邊管線復雜程度為Ⅲ級。同時還可依據距離鉆孔的電纜輸電電壓、金屬或非金屬管線探測信號顯示有無等進行鉆孔周邊管線復雜程度分級。根據不同鉆孔周邊管線復雜程度等級制定相應的開孔措施方案和報審批流程，嚴格控制風險。一般情況下，對于Ⅰ、Ⅱ級鉆孔周邊管線復雜程度的鉆孔可根據周邊場地環境，優先在滿足技術要求的前提下進行鉆孔位置調整，降低鉆孔周邊管線復雜程度等級，如無法移位降級的則采取對應的開孔措施方案實施。

1.1.4 移位報批

經過鉆孔周邊管線復雜程度分級工作及現場排查工作后，原設計鉆孔孔位如出現正好位于既有地下管線上方或距離較近時，如周邊場地環境有調整位置，則需相應地避開管線風險調整孔位，超出移位距離相關要求的鉆孔需報送移位方案。經設計、總體等單位審批完成后須對調整后的新孔位重新進行鉆孔周邊管線復雜程度分級工作，按調整后的鉆孔周邊管線復雜程度等級對應方案實施開孔。

1.2 現場開孔

勘察單位需針對不同風險等級制定相應的開孔措施，如對應上述鉆孔周邊管線復雜程度Ⅰ、Ⅱ級鉆孔開孔需采取“挖三貫六”的原則。“挖三”是指人工開挖至地表以下3 m，包括破除路面、人工開挖、洛陽鏟洞探3 個步驟；“貫六”指利用鉆探設備采用巖芯管擊進方式，從地表以下3 m 貫入至6 m 的操作。Ⅲ級周邊管線復雜程度的鉆孔則可直接采用貫入的方式，從地表直接貫入至地面以下6 m 深度以下。開孔總原則為從地表至以下6 m 深度嚴禁采用機械鉆機，以此降低損壞地下管線的風險。

1.2.1 人工挖探

人工挖探目的是將路面挖開，暴露地下障礙物，規避地下管線。在城區實施挖探，地表主要為道路路面或混凝土地面，一開始需用風鎬破除路面，由點到面、小功率謹慎施工，破除形狀應以矩形為主，長、寬宜控制在0.5～0.8 m 范圍。路面破除后，達到填土層，人工采用鐵鍬、撬棍、風鎬等工具實施挖探，周邊自穩條件好宜垂直開挖，自穩條件差時采用“漏斗形”開挖，挖探深度約1.5 m。開挖深度宜穿透上部填土層，當底部存在障礙物時可加深，必要時擴大路面破除范圍。人工開挖到一定深度后，鐵鍬等工具功能受限，此時則采用洛陽鏟進行洞探，洛陽鏟刃口嚴禁打磨，洛陽鏟探應以人力下鏟，嚴禁大錘擊打下鏟，洞探深度需挖至地面以下3 m。挖探結束后應量測深度并進行挖探驗收，采用PVC 管對準孔位防止沉渣覆蓋，坑內回填砂土防止塌陷，鉆機就位前應采用鐵板覆蓋進行保護。

1.2.2 擊進開孔

鉆孔孔位經人工開挖探至3 m 驗收后，鉆機設備方可就位，鉆機立軸對準開挖孔后采用巖芯管擊進至地面以下6 m。在擊進過程中，嚴禁重錘大距離下落，技術人員需全程旁站，關注擊進速率變化情況。對于異常情況，及時停止施工，分析原因。當鉆孔附近涉及深埋管線、頂管時，應加大擊進深度。

2 四探針電阻率測試管線識別

2.1 挖探存在的問題

經過管線成果收集、排查，結合“挖三貫六”開孔方式的實施，無疑可避免大部分地下管線，但也存在一定的局限性。一是現有探測儀器對6 m 以下深埋管線的位置探測存在不確定性，主要還是依靠資料收集和權屬確認的成果，仍存在一定風險；二是“挖三貫六”的實施，在城區允許開挖面一般不能過大，當淺部存在較多填石、塊石時，挖探和擊進難度較大，尤其是在1.5～6.0 m 深度，當遇到障礙物很難判斷是填石還是地下管線，時有把管線誤認為是填石而允許機械破除或鉆進而出現管線損失事故。對于可能出現的深埋管線風險，開孔過程中需加強資料收集和權屬確認環節的工作，存在疑問時，應要求現場擊進不應要求僅僅至6 m，應要求擊進至各方收集反饋的最大管線深度，以此確保安全。近地表地下障礙物一般為回填塊石、建筑垃圾、地下管線等，而地下管線主要為鑄鐵、砼、PVC 和鋼等材質，基于此類物質屬性及存在的電性差異，可借助獲取地下障礙物電阻率的方式來判斷其屬性。當在實施挖探或擊進過程中遇到障礙物時，采用專門測量儀器獲取障礙物的電阻率，判斷其為管線還是塊石等，為是否采取機械破除提供決策依據，以此降低在此過程中誤損管線的風險。

2.2 管線識別工作原理

地下管線按其物理性質可大致分為3 類：①由鑄鐵、鋼材構成的金屬管線；②由鋼、鋁材料構成的電纜；③由水泥、陶瓷和塑料材料構成的非金屬管道。上述管線與周圍介質在電性方面均存在差異，因此可以利用電阻率物理參數，選擇四探針電阻率測試方法進行電阻率測試，以此來判斷管線材質屬性。

四探針電阻率測試理論是依據范德堡原理，采用的是直流四探針測試方法。采用4 根小型銅電極固定在塑料板上，電極距（探針間距）為10 mm，塑料板連接伸縮探桿，用于下放塑料板電極頭置于挖探孔洞障礙物上，使得4 根電極探測均與障礙物接觸。利用恒流源給外面的A、B 探針電極通過電流，再從M、N 探針電極上測量出電位差，經過相關運算得到障礙物材料的電阻率，如圖1 所示。

圖1 四探針法測量示意圖

依據四極法探測理論，被測地下障礙物相對探測探針間距視為無窮大，假設AM=MN=NB=a，探針M 處電勢VM是探針A 處電流源+I 和探測B 處電流源-I 之和，即有

探針N 處的電勢VN也可得出

由此，探針M 與探針N 之間的電勢差可求出

根據已知各探針間的間距a，只要測出探針M、N 間的電勢差VMN及探針A、B 間的電流I即可獲得被測障礙物電阻率值ρ

依據探測障礙物的電阻率值即可分析其介質材料，為鉆探或挖探提供處理障礙物的決策依據[7-8]。

2.3 測試設備

由于常規電法測量儀一般難于滿足管線類識別物體的電阻率范圍，為能較準確地獲取地下障礙物電阻率值，基于上述電法原理，我院自行設計制作完成測試主機及測試探桿成套設備。主機為電阻率測試設備，與常規電阻率測試儀工作原理和工作方法一致。主機電阻測量范圍為10-6～106Ω，直流電壓測量結果的相對擴展不確定度為0.002%，電流測量結果的相對擴展不確定度0.06%，電阻率測量結果的相對擴展不確定度為0.007%。測量探桿采用伸縮桿把手，探桿底部連接塑料板，銅制電極按一定間距排列呈直線固定在塑料板上，并引出連接線與測量主機連接。

3 測試應用

為測試研制設備及研究技術的實際應用，本次采用設備對鑄鐵管、PVC 管、不銹鋼管和干砼管及濕潤土進行電阻率值測試，測試結果見表1。從測試結果看，金屬材質管（鑄鐵、不銹鋼）、非金屬材質管（PVC、砼管）與濕土之間差異明顯，可直觀地區分和判斷出材質大類，說明采用該方法識別探孔障礙物是可行的。

表1 各材質測試電阻率值Ω·m

2022 年6 月，我院正在實施粵港澳大灣區城際線路芳村至白云機場工程詳細勘察，在實施MVNZ3-FC-075號鉆孔挖探過程中，人工坑探至1.20 m 深度后采用洛陽鏟挖至地面以下約1.80 m 位置時遇到障礙物未能繼續下探。隨后，采用探孔管線識別儀進行探查，測試障礙物電阻率為218.52～1 457.49 Ω·m，測試5 組數據平均值為890.67 Ω·m，基本排除為非金屬管線或金屬管線，建議不移位擴大挖探孔處理。擴大后在障礙物旁側順利繼續下探至要求3 m 位置，初步判斷障礙物為回填磚塊或石塊。通過采用探孔管線識別儀的探查基本確定了障礙物為非管線物體，推薦原孔位繼續實施，避免了移位重新開孔，節省了施工時間和施工成本。探孔管線識別儀如圖2 所示，探測現場如圖3 所示。

圖2 探孔管線識別儀

圖3 探測現場

4 結束語

1）依據四探針方法原理，可以采用接觸方式進行對地下挖探所遇障礙物的電阻率測試，以此獲取其電阻率值，通過電阻率值可初步判斷所測對象的材質。

2）研制的測試設備擴大了電阻率測試范圍，提高了測試精度，通過測試獲取了鑄鐵、PVC、不銹鋼和砼等材質的電阻率值，其差異明顯，可作為判斷測試材質的基礎依據。

3）在城市進行地質鉆探時，往往需采用地面開挖至一定深度的方式進行地下管線或建（構）筑物的排查，當開挖遇到障礙物時，可借助四極探針方法進行障礙物識別及輔助決策，該項技術已成功應用于粵港澳大灣區城際線路芳村至白云機場工程勘察項目。