利用“竖直剖面法”实现超深地下管线的精确定位

张永命，肖顺，陈锐杰

(广州市天驰测绘技术有限公司，广东广州 510660)

1 引言

地下管线探测技术服务作为一个行业，从上个世纪90年代开始发展，地下管线探测已经涉及全国所有大、中城市及部分中小城市，在城市规划、基础建设、国家地理信息系统建设等领域发挥越来越大的作用。

目前，地下管线探测的核心技术仍然以电磁法探测为主。这主要是基于两个方面的原因:一方面是我国早期地下管线除排水外绝大多数是金属材质的;另一方面是由于电磁法探测原理最好地适应了当时技术发展条件，较其他方法率先实现了应用仪器的轻便化、探测结果的灵敏化和精确化以及设备生产的经济化［1～7］。但是传统的电磁法地下管线探测设备，只对地下埋深 5 m以内的金属管线能够有效定位和定深。随着非开挖管线施工技术的广泛应用，地下管线埋设愈来愈深，超过 10 m甚至数 10 m埋深的长距离穿越管线越来越多地分布在全国各地［8，9］。如何准确探测此类管线的位置及深度，为后续工程设计和施工提供准确可靠的地下空间信息，逐渐凸显为探测技术盲区。

“竖直剖面法”探测技术是我公司在“水平剖面法”［10～12］基础上独立研发的专利技术，可以实现对超深金属管线进行精确定位定深。概括地讲，“竖直剖面法”就是在地面上用“水平剖面观测法”对目标管道进行预定位，再在目标管道旁侧钻进一条竖直通道，采用分离式低频电磁波探头在通道里采集数据，并对数据曲线进行反演分析，求出目标管道位置和埋深。理论上竖直剖面法探测精度可达到±0.02h(h为目标管道距地面的中心埋深，h＞10 m时)。

2 “竖直剖面法”工作原理

“竖直剖面法”所测的信号也是单根无限长线电流所产生的电磁场信号，只是将平时在水平地面上测量磁场的水平分量，“旋转”90°变成测量磁场的垂直分量，如图1所示。当管道埋设很深时，在地面上所捕捉到电磁信号相当平缓和微弱(如图1蓝线所示)。先采用“水平剖面法”初步推断目标管道的位置(S0)和埋深(H0)。然后在距预判目标管道中心 S0约0.2H0位置进行钻探(0.10H0为误差极限，故在0.20H0钻探是安全的)，钻探深度=1.2H0－1.3H0，以保证观测到完整的竖直剖面。使用我公司专利探头，在竖直方向对垂直分量进行连续检测，探头的峰值位置即目标管道的中心埋深H。

图1 超深管道探测原理图

竖直探头读取目标管道磁场的垂直分量Hz，其公式如下:

式中，Hz—电磁场的垂直分量;

L—钻孔与目标管道的水平距离;

H—管道深度;

y—探头深度;

Ki—与发射电流有关，当电流稳定时Ki为常量。

由式(1)推出:当y=H时，Hz达到最大值Hzmax=Ki/L;当y=H±L时，Hz=0.5Hzmax。由此可以推算出钻孔位与目标管道的水平距离L(50%法)。

3 应用实例

3.1 成功探测埋深超过20 m的超深穿越管

目标管道为珠海市珠海大道边上的高压天然气管道，管径 660 mm，材质为钢。管道埋设时为了避开村庄及河涌的影响，采用长距离顶管穿越法施工。经我公司采用“水平剖面法”初测及“竖直剖面法”精测，计算出该顶管最深处距离地面为 27.1 m(误差±0.54 m)。“水平剖面法”采用单端长距离接地法激发(如图2所示)，640 Hz单天线接收;“竖直剖面法”采用单端长距离接地法激发(如图3所示)，8 kHz竖直孔中探头接收。下面列举R15探测点的位置图(如图2)及剖面观测曲线图(如图4、图5所示)，以作佐证。(PM8为“水平剖面法”测线编号，ZK8为“竖直剖面法”探测点编号。)

图2 单端激发工作模式布置图

图3 R15位置图(管顶埋深23.60 m)

图4 PM8“水平剖面法”观测曲线图(管中x=6.1 m，h=17.7 m)

图5 ZK8“竖直剖面法”观测曲线图(管中H=23.9 m，L=5.1 m)

实践表明:利用“水平剖面法”测定的水平位置(图4中x=6.1 m)精度可以达到规范要求(△x=±0.1H)，而“水平剖面法”测定的埋深(图 4中h=17.7 m，图5中H=23.9 m)与“竖直剖面法”精测的深度相去甚远。

3.2 成功探测城市中心区路口下方穿越管

目标管道位于中山市南朗镇某十字路口下方，高压天然气管道，管径 660 mm，材质为钢，顶管穿越施工。目标管道埋设深度约 6 m～10 m，管道上方布满了各类浅部管线，如图6所示。为了准确探测有浅部干扰的超深地下管线，有效避开浅部干扰，对目标管道进行最有效激发是关键。通过方法试验，我们最后采取双端连接方式，并在导线穿过浅部干扰管线位置时，将导线架空，以尽量减小对浅部管线的干扰，如图7所示。“水平剖面法”采用 640 Hz频率，“竖直剖面法”采用 8 kHz频率。实测曲线样例如图8、图9所示。

从图8可以看出，在地表浅部存在其他管线时，用“水平剖面观测法”容易受到浅部管线干扰，频率越高，受干扰程度越大(图中红线为 8 kHz，曲线明显变形)。从图9可以看出，“竖直剖面法”在近地面处。(0 m～3 m)同样受到浅部管线干扰，但越往深处，干扰越来越小到忽略不计。通过图9的探测结果，反推图8的探测结果，可见图8的平面位置和埋深均误差较大。故在地面复杂条件下探测超深管线，“竖直剖面法”体现出独到的技术优势。

图6 目标管道分布图(紫色粗线为目标管道)

图7 双端连接工作模式布置图

图8 PM6“水平剖面法”观测曲线图(管中x=8.6 m，h=3.2 m)

图9 ZK3“竖直剖面法”观测曲线图(管中H=5.4 m，L=2.0 m)

4 结语

(1)在地表无旁侧干扰情况下，“水平剖面法”可以进行初步定位，但是深度误差较大，如PM8反演深度为 17.7 m，经“竖直剖面法”精确测定为 23.9 m。

(2)“竖直剖面法”探测的磁场信号很“纯净”，可以与理论剖面曲线很好地吻合(见图5)。

(3)“竖直剖面法”可以有效避开浅部管线干扰，而且目标管道埋设越深，效果越好(见图9)。

(4)“竖直剖面法”探测精度与目标管道的埋深H无关，与钻孔位置与目标管线的平距L相关。通常L=0.2H，故“竖直剖面法”的定位定深精度能比“水平剖面法”提高5倍以上。

(5)“水平剖面法”和“竖直剖面法”相结合的精确探测模式，特别适用于给水、输油、输气等管道顶管穿越方式过河、过江及交通繁华路口段的精准探测，在水面以下同样适用。

［1］《城市地下管线探测技术手册》编写委员会.城市地下管线探测技术手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［2］CJJ61－2003.城市地下管线探测技术规程［S］.中国建筑工业出版社，2003.

［3］刘忠新，范士杰.地下管线探测技术的论述及应用［J］.城市勘测，2004(4):23～25.

［4］郭根会.磁法在地下管线探测中的应用［J］.城市勘测，2011(S1):109～110.

［5］徐涛，许顺芳.多偏移距地震映像法应用技术研究［J］.工程地球物理学报，2009，6(3):273－276.

［6］Mercer，John E.Locating systems for horizontal directional drilling－Part 1［J］.No－Dig Engineering，1998，4(5):2 ～4.

［7］Mercer，John E.Locating systems for horizontal directional drilling－Part 2［J］.No－Dig Engineering，1999，5(1):6 ～11.

［8］张汉春.非开挖特深管线的探测技术分析及展望［J］.地球物理学进展，2010，25(3):1092 ～1097.

［9］张汉春，莫国军.特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究［J］.地球物理学进展，2006，21(4):1314～1322.

［10］张永命，肖顺.剖面观测法在超深管线探测中的应用［J］.城市勘测，2011(S1):125～127.

［11］姜文青，王大成.珠海大道HDD天然气管道的探测［J］.城市勘测，2010(S2):221～223.

［12］王春起.大埋深管道位置探测技术探讨［J］.地下管线管理，2009(S):37 ～40.