竖直剖面法在超深地下管线定位中的应用

【摘要】 本文介绍了“竖直剖面法”探测方法和工作思路，并通过案例说明“竖直剖面法”对比“水平剖面法”独特的优越性和对精准定位超深管线的有效性。

【关键词】竖直剖面法；竖直探头；水平剖面法；超深管；高精度。

一、前言

本文阐述了“竖直剖面法”的工作原理及工作模式，通过两个实施项目案例，阐述了“竖直剖面法”的工作方法及验证方法，通过项目验证的精度对比来证实了此项技术的可行性与可靠性，最后分别描述了“竖直剖面法”的优越性和推广应用的不足之处。

二、竖直剖面法的工作原理

2.1基本原理

各种金属管道或电缆与其周围的介质在导电率、导磁率、介电常数有较明显的差异，这为用电磁法探测地下管线提供了有利的地球物理前提。由电磁学知识可知无限长载流导体在其周围空间存在磁场，而且这磁场在一定空间范围内可被探测到，因此如果能使地下管线带上电流，并且把它理想化为一无限长载流导线，便可以间接地测定地下管线的空间状态。在探查工作中通过发射装置对金属管道或电缆施加一次交变场源，对其激发而产生感应电流，在周围产生二次磁场，通过接收装置在地面测定二次磁场及其空间分布，然后根据这种磁场的分布特征来判断地下管线所在位置（水平、垂直）[1]。如图2-1所示。

根据电磁感应原理，在一个变电场周围空间存在交变磁场，在交变磁场内如果有一导体穿过，就会在导体内部产生感应电动势；如果导体能够形成回路，导体内便有电流产生，这一交变电流的大小与发射机内磁偶极所产生的交变磁场（一次场）的强度、导体周围介质的电性、导体的电阻率、导体与一次场源的距离有关。一次场越强。导体电阻率越小；导体与一次场源距离越近，则导体中的电流就越大，反之则越小。对一台具有某一功率的仪器来说，其一次场的强度是相对不变的，管线中产生的感应电流的大小主要取决于管线的导电性及场源（发射线圈）至管线的距离，其次还决定于周围介质的阻抗和管线仪的工作频率。

2.2工作模式

“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，是将常规做业时在水平地面上探测磁场的水平分量，转换另外一样思维模式，即将水平分量“旋转”90度，变成探测磁场的垂直分量。当管道埋设很深时，在地面上所捕捉到电磁信号非常平缓和微弱，采用垂直分量观测所捕捉到的电磁信号则非常强势和明显。当然在采用垂直分量前，首先要采用“水平剖面法”初步推断目标管道的位置（S0）、埋深（H0）和管径（D0）。然后在距预判目标管道中心S0约（0.2H0+D0/2）位置进行钻探（0.10H0为误差极限，故在0.20H0钻探是安全的），钻探深度约为1.2～1.3H0，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。

三、应用实例

3.1超深河流穿越管探测

3.1.1项目概况

项目位于广东省中山市坦洲镇沙坦村茅湾涌，属于大型河流穿越管道，管径为D660，埋深超过20米， 管道设计断面图如图3-1所示。

3.1.2信号激发方式

根据天然气管道现场分布情况及方法试验，采用长导线单端接地一种模式进行信号加载，信号频率选用8192Hz和640Hz，发射功率调至最大。信号加载模型与现场信号激发布置如图3-1所示，布置图中蓝色线为长导线布设路径。

为了能使导线安全穿越茅湾涌，保障不在水里漏电影响探测效果，我们采用加厚型绝缘导线并每隔几米附一重块使导线沉底，以防被过往船只拉断。为了运输及作业方便，采用轻型橡皮筏或小木船过河.

3.1.3信号观测方式

经过大功率长导线接地激发，在地面上就可以用RD4000/8000管线仪接收机很好地接收到信号。在无盘侧干扰的情况下，可以用管線仪直接定位，5米以下的深度，也可以70%直接定深。对于超过5米深度的管段，在条件允许时采用剖面观测法进行定位定深，即在目标管道上方垂直管道走向进行剖面观测记录数据，观测记录水平天线接收Hx信号强度，点距0.2-0.25米，剖面长度20-30米。剖面布设在地势平坦且无盘侧管线干扰的地段，因茅湾涌现场水系发达、地势极不平坦，能适合布设导线的位置很少。最后成功布设了4条剖面。

3.1.4案例总结

目标管道为高压天然气管道，管径660mm，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。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米（误差±0.54米）。“水平剖面法”采用单端长距离接地法激发，640Hz单天线接收；“竖直剖面法”采用单端长距离接地法激发，8KHz竖直孔中探头接收。实践表明：利用“水平剖面法”测定的水平位置距离6.1米时，埋深为17.7米，精度可以达到规范要求（Δx=±0.1H），而“水平剖面法”测定的埋深埋深为23.9米，与“竖直剖面法”精测的深度相差甚远。

四、结语

4.1优越性

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，通过两个案例可以充分说明。

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。

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。

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，在水面也下同样适用。

4.2目前还存在的问题

1）“竖直剖面法”的探测手段与工序要比“水平剖面法”繁琐，作业时所投入的人员设备也要多2～3倍。

2）“竖直剖面法”中钻孔位置与目标管线的平距L的真值还不能准备测量，还是要借助“水平剖面法”进行探测，只要通过垂直分量可以测量出平距，将更加有效验证水平分量的定点可靠性和精度。

3）非金属管道的探测精度还不能达到要求。

参考文献

[1]张永命，肖顺，韩颖.利用竖直剖面法实现超深地下管道的精确定位[J].测绘通报，2013；（增刊）：111～113

[2]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