磁梯度法在深埋非开挖金属管线精测中的应用

位伟

摘 要：本文通过建立正演模型，研究磁梯度理论曲线的变化特种，并将工程实例中的实测曲线与理论曲线进行对比，钻孔验证，证明磁梯度法精测深埋金属管线具有良好的应用效果。

关键词：磁梯度；正演模型；精测；深埋非开挖金属管线

1 引言

随着城市化进程的加快，非开挖施工工艺已广泛地应用于各类管道敷设工程中，由于非开挖管线大都埋藏深，而管线探测仪、导向仪、探地雷达等仪器由于自身的局限性（ 探测深度浅、易受电磁干扰、场地地形、地质条件和可通达的条件差） 难以测定其准确位置，有效探测深度很浅，增加了后期交叉管线施工和工程建设的安全风险。

近些年，大型雨污水、电力隧道、能源管沟等顶管工程以及城市快速路、高架、桥梁等桩基施设工程越来越多，此类工程建设对现有地下非开挖管线精确要求高，且施工前期无法对非开挖深埋管线进行开挖验证。为避免因管线位置不准，在施工时修改设计，造成人、财、物浪费，延误工期，同时为施工时管线保护提供对象和依据，避免盲目施工带来的管线破损而引起的经济损失与社会影响，获取拟建工程建设区域内非开挖施工管线的准确位置信息，最大限度避免管线切改，消除潜在的事故隐患，通过大量工程实践，笔者尝试采用井中磁梯度探测法来对非开挖金属管线进行精确定位，来解决一些其他探测手段不能有效解决的实际问题。

2 磁梯度法针对深埋金属管线探测方法原理

一般在均匀无铁磁性物质的土层中，其磁场强度理论上为均匀场，而如果在其中有铁磁性物质存在时，将会在其周围分布有较强的磁场，从而产生磁异常，且磁异常强度由近及远逐渐衰减。

在正演模型研究中，可以将局部区域内的水平金属管道简化为一个无限长水平圆柱体，在三维空间内，无限长水平圆柱体又相当于二度体，磁性体沿Y 轴方向无限延长，磁位沿Y 轴方向无变化。因此无限长水平圆柱体在空间内各磁场分量（垂直分量Za 、水平分量Ha 、磁场强度ΔT） 的表达式分别为：

[Za]=[2Ms[（Z-R）2+x2]2]×{[[（Z-R）2+x2]]}sin[is]+2（[Z-R]）xcos[is]

[Ha]=[2Ms[（Z-R）2+x2]2]×{[[（Z-R）2+x2]]}cos[is]-2（[Z-R]）xsin[is]

ΔT = Za ·sinis + Ha ·cosis ·cosA

式中Ms 為有效磁矩，Ms = J s ·S ；J s 为有效磁化强度； S 为水平圆柱体的截面积； R 为水平圆柱体的中心埋深； is 为有效磁化倾角； A 为磁偏角。

由Za和Ha表达式可以得到管道中心埋深分别为R=3m和R=10m水平金属管道在地面的理论曲线，如图1。

对比图1中不同埋深的Za 和Ha 理论曲线，当管道埋深较深时， Za 、Ha 曲线幅值变化非常平缓， 基本无法识别Za 曲线的峰值点或Ha 曲线的零值点，因此利用地下管线仪探测埋深较深的管道是不大可行的，但是磁梯度曲线反映突出基本不受埋深影响，探测精度高。

通过钻孔的手段将磁梯度仪下到探测钻孔内，由上而下测量水平金属管道在垂直方向上的Za曲线变化，可以得到较理想的探测效果。在接近金属管道的探测钻孔内，Za梯度值随深度的变化非常明显，在上、下两部分，梯度值几乎无任何变化，而在接近金属管道的深度位置，梯度值变化强烈，犹如一个“S”型。在稍微远离管道的探测钻孔内，梯度值的变化幅度相应减小，当水平间距大于0.8m时，几乎无任何变化了。

磁梯度探测，前期应对存在的深埋管线进行大致定位，需在拟建管道与现有深埋管线平面相交处针对性布置钻孔，利用磁探棒探测钻孔不同深度对应的磁梯度值，通过“零值法”来判断已有管线埋深的方法。探测钻孔距离管道距离超过0.8m的话磁梯度峰值衰减很快，所以前期最好能大致确定管道平面位置，再用钻机在管道附近打探测钻孔。否则需要打钻的探测钻孔数量较多，需以一定的间距垂直管道走向布置若干个钻孔。

利用磁梯度法探测深埋金属管线精度很高，通常误差在10cm以内，对于顶管和桩基等工程有重要指导意义。

3 磁梯度精测工程案例

某排水系统工程泵站出水管建成后需对现有防汛墙拆除新建，范围内有一路Φ325非开挖，搜集的资料显示埋深约20m，管中心标高-15.4m，并且在穿越河道时标高基本走直，但该数据仅作参考，是否准确，尚需验证。拟改建防汛墙基础底标高-14m，与现状燃气管十字相交。传统的电磁感应和地质雷达等管线探测方法无法探明，为了准确探测燃气管线的位置，笔者采用了钻孔磁梯度对现状非开挖燃气管进行验证性探测，以确保管线安全。

本次探测中采用北京地质仪器厂生产的CCT-1型磁梯度仪，方案布设5只钻孔（RZK1～RZK5），钻孔间距0.5m（需避开已有防汛挡墙），然后对5只钻孔分别进行磁梯度探测，通过测量钻孔中由上而下垂直梯度值变化，来判别燃气管线的埋深。实际探测中RZK3孔处磁异常最强烈，离现状管道最近，磁梯度曲线如图3。

由上述曲线可以判断存在2处磁异常，第一段磁异常通过资料比对判断为现状防汛墙的底端位置埋深约9.8m，标高为-5m；第二段磁异常根据“零值法”判断燃气管道中心埋深为19.8m，通过计算燃气管中心绝对标高为-15.3m，与权属单位提供竣工资料基本一致。水平位置通过异常曲线判断在RZK2～RZK3之间。本次磁梯度探测的深度误差在±10cm，远远高于行业标准中埋深限差0.15h（h为管道中心埋深） 。在保证一定安全距离后，改建防汛墙顺利施工。

4 结语

利用磁梯度探测的方法，可以在关键节点处探测埋深较深的非开挖金属管线，探测精度高。拟建顶管或者桩基工程遇到类似问题都可以将此方法加以推广和利用。另外磁梯度法与触探法、孔内测斜法相结合，能进一步提高金属管线探测精度，在精密地下工程中有很强的使用意义。

参考文献：

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