诱导偶极电磁感应法探测地下非金属管道技术的应用与探讨

裴世建

(中铁第六勘察设计院集团有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

西安地铁16号线沙河滩车辆段位于西咸新区沙河滩村，拟建车辆段为现状农田和苗圃。车辆段东北侧400 m范围内有1条修建于20世纪80年代的水源管，材质为钢筋混凝土管，内径1 200 mm，承插式橡胶圈接口，采用明挖方式敷设，管道顶覆土1～3 m之间，管道已经带压运行了近30年，结构不稳定，容易爆管。由于该管道为自来水厂水源管，暂时无法搬迁，车辆段施工整理场地时要进行原位保护，因此需要准确探明该管道的位置及深度。管道产权单位提供资料与原勘察单位提供位置出入较大，最大相差近40 m，无法满足设计保护要求，需重新进行精确探测，为设计提供准确数据。管道与拟建车辆段情况见图1。项目前期，也开展了地质雷达和地震映像和面波[1，2]探测工作，均未探测到该管道。

图1 管道与拟建车辆段关系示意图Fig.1 Diagram of relationship between pipeline and proposed depot

2 方法试验

2.1 地球物理特征

通过现场踏勘，场地地表以耕植土为主，下部为细砂、粉砂，土壤比较干燥。收集当地同类地层物性参数(表1)，地层电性参数差别较大，具备诱导偶极电磁感应法[3-5]开展探测工作的条件。

表1 物探场地物性参数

2.2 诱导偶极电磁感应法原理

在外电场的作用下带正电的粒子和带负电的粒子彼此分开，形成诱导偶极。诱导偶极电磁感应法是通过两电极向地下发射交流电，是两电极之间形成交流磁场，通过研究该交流电磁场中不同介质磁感应强度来获取目标在场中的位置情况。在两电极与大地形成的回路中，将目标管道与周围介质视为并联闭合电路，通过合适的发射频率，使管道中产生的交流电流远大于周围介质中产生的电流强度，从而可从地面观测到目标管道产生的磁场异常。在交变电磁场中的介质，其介电系数和导电率均视为复数形式，其值与σ、ω、μ和ε有关，在感应场中，根据Maxwell微分方程可以推导出电磁场的波阻抗公式[1]为

(1)

式中，σ为介质电导率(S/m);ε为介质介电常数(F/m);μ为介质磁导率(H/m);ω为场源角频率(rad/s);Z为介质的电磁波波阻抗(g/cm·m/s)。

在无磁性介质(忽略μ的影响)中，电磁感应法探测地下管线时，一般要忽略位移电流[6-16]，即满足σ≫ωε条件(一般至少按2个数量级考虑)，若取管道周围介质电导率σ=0.01 S/m、介电常数εr=10，则f须小于2×105Hz。按照式(1)可计算充水混凝土管道交流阻抗小于周围介质阻抗，因此，在发射功率足够的情况下，采用发射频率小于200 kHz时，可进行地下管线探测。

2.3 方法试验

方法试验的目的是为了确定最佳发射装置、发射频率，更好地突现管道异常，试验装置[2]见图2。电极AB与拟探测管道成小角度或近似平行布置，试验过程中，发射功率、接地条件不变，通过改变D(注：本装置收发距D=发射、接收导线与AB连线间的距离)和发射频率f，对比分析观测剖面上磁场响应强度，确定最佳发射装置和发射频率。

图3和图4分别为不同发射频率和不同收发距地面磁场响应对比曲线。从图3和图4可以看出，在满足σ≫ωε的条件下，理论上发射频率越高，效果越好；但受发射功率限制，频率越高，管道中交流损耗越大，地面接收到的磁场强度并不随频率的增加而增大。D越大，管道异常反映越明显，但收发距过大，现场实施难度增加，因此在满足分辨率的条件下选择最小收发距。通过方法试验，本次探测工作收发距D确定为50 m，发射频率f选择8 kHz或33 kHz。

图3 不同发射频率地面磁场响应对比曲线Fig.3 Comparison curves of ground magnetic field responses at different transmission frequencies

图4 不同收发距地面磁场响应对比曲线Fig.4 Comparison curve of ground magnetic field response at different transmit-receive distances

3 探测效果

本次探测工作需准确探明车辆段400 m范围内管道位置，考虑在A、B电极附近存在干扰区，因此L(发射电极与接收电极间的距离)布置为500 m，A、B电极分别布置于测区50 m以外，入土深度为1.5～2.0 m，发射功率为10 W、发射频率8 kHz、回路电流强度为27.8 mA。由于该探测方法可以连续追踪，因此首先需在合适位置确定管道位置的布置，然后向两侧追踪，每5 m去确定一次管道位置。本次初步确定管道位置的观测剖面选择在AB中点附近，观测剖面长50 m，包含管道可能存在的范围，发射装置及观测剖面布置见图5。地面观测时管线仪接收机不进行增益调节，按2.5 m间隔记录磁感应强度，突变时加密观测，剖面磁感应强度曲线见图6。通过磁感应强度曲线分析，管道中心位置位于距剖面起点22.5 m处，根据曲线特征点[4，11]判断管道中心深度为2.5 m(按壁厚0.1 m计算管顶埋深为1.8 m)。为确定探测结果的准确性，在观测剖面确定的管道位置进行人工开挖验证[12-16]，通过验证，得出管道中心位置偏差13 cm、管道顶埋深123 cm。根据验证结果，对后续追踪点位深度进行修正。

图5 发射装置及观测剖面布置Fig.5 Layout of launching device and observation section

图6 观测剖面磁感应强度曲线Fig.6 Magnetic flux density curve of observation section

图7 管道开挖验证照片Fig.7 Photos of pipeline excavation verification

4 结 论

通过本次探测实例证明，诱导偶极电磁感应法可以很好地解决充水非金属管道探测难题，与地质雷达、地震映像等物探方法相比，其探测精度及效率优势更明显，更可延伸用于地下暗河、地下水等低阻异常体方面的探测。

由于在交流电磁场下，当地下管道与周围介质差异不太大时，不能忽略管道与周围介质附近位移电流产生的磁场，因此，通过磁场强度曲线特征点来判断管道深度时会有较大偏差，需通过较多的已知数据进行修正。