孔中磁法位场延拓在城市深埋金属管线精细探测中的应用研究

程彬彬，刘黎东,裴世建，于 强

(中铁第六勘察设计院集团有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

随着城市化进度的加快，在旧城区改造的过程中，由于年代久远、建设施工资料存在误差、缺失等问题，地下深埋管线严重影响着新建工程的设计与施工。由于该类管线埋深大、个体小的缘故，传统的地面物探方法很难进行准确定位，因此近年来国内大量物探工作者对地下深埋管线的探测问题进行了研究和应用。裴世建通过分析地下电磁场沿金属管道的传播特性，利用地面低频充电大回线法大致确定了地下深埋燃气管道的位置及埋深[1]。韩立等采用PCM+防腐检测仪初步定位、孔中磁梯度仪精确探深，在超深金属管道的探测中取得了良好的效果[2]。为了获得地下深埋管道的准确埋深信息，裴世建等分析了深埋电力拉管的磁场特性，利用孔中磁法并结合其他物探方法，精确探明了该电力拉管的埋深[3]。吕明利用孔中磁法对地下深埋金属管道、含铁磁材料的雨污水管道以及有孔可穿入强铁磁棒的非金属管道进行探测，取得了一定的效果[4]。

在地质、矿山及石油领域，地面磁测数据位场延拓方法得到了广泛的应用[5-7]，成功解决了一些类如断裂构造等的重大地质问题。在城市工程施工领域，对于地下深埋管线的精细探测，孔中磁测方法具有非破坏、操作简单、探测精度高的优势，得到了广泛的应用。但是前人对地下深埋管线探测方法的研究和应用仅能对该管线的埋深进行准确定位，无法获取该管线的平面位置信息。为了从现有的孔中磁测数据中提取出管道的平面位置信息，本文将传统磁测数据位场延拓向下延拓的基本理论[8-14]引申到孔中磁测数据水平延拓的过程，成功地获取了地下深埋管线的平面位置信息，同时对地下管道的埋深判识也更加精细，为工程设计与施工解决了疑难问题。

2 孔中磁法位场延拓方法原理

2.1 基本原理

通常，当钻孔距离地下深埋金属管道距离不大(根据工程经验不大于2 m)时，孔中观测到的原始磁测异常曲线W(z,x)在地下深埋管道深度附近会出现异常，该异常的形态受磁化方向的影响，呈现为一个“轴对称曲线”或“点对称曲线”或介于二者之间的不规则异常曲线。同时该曲线形态会受磁测位置与管道的距离影响，距离越大，曲线的宽度越宽、幅值越小；反之，宽度越窄、幅值越大。在理想情况下，当观测面穿过管道位置时，该异常的形态将会压缩为一个“尖脉冲”[12]。

基于以上思想，本次研究尝试将孔中实测的磁测异常曲线W(z,x)，向着地下深埋金属管道的方向水平延拓一个距离Δx，从而获得延拓后观测面处的磁测异常曲线W′(z,x+Δx)，然后根据该延拓后观测面处的磁测异常曲线W′(z,x+Δx)的是否接近“尖脉冲”，而决定继续延拓或终止延拓。最终根据形成“尖脉冲”时的观测面磁测异常曲线W′(z,x+Δx)的延拓距离Δx，判断地下金属管道与钻孔的之间实际距离，示意见图1。

图1 孔中磁法位场延拓示意图Fig.1 Schematic diagram of potential field extension of borehole magnetic method

2.2 频率域位场延拓原理

假设地下深埋金属管道位于X=x+Δx处，则钻孔位置X=x观测面处实测的磁测异常曲线为W(z,x)，则由外部的狄利克莱问题：

(1)

对其进行关于变量z的傅里叶变换：

(2)

因此：

F[W′(z,x+Δx)]=F[W(z,x)]·e2πuΔx

(3)

式(3)即为孔中磁法在频率域的位场延拓公式。其中，F[W′(z,x+Δx)]为延拓Δx距离处观测面磁测异常的傅里叶变换值；F[W(z,x)]为钻孔内实测磁测异常的傅里叶变换值；e2πuΔx为延拓因子。

2.3 实现流程

孔中磁法频率域位场延拓实现流程如图2所示。

图2 孔中磁法频率域位场延拓实现流程Fig.2 Flow chart of potential field extension in frequency domain of borehole magnetic method

3 工程案例

3.1 模拟实验

在天津某无干扰的空地地表进行模拟实验：在地上放一段小铁管，模拟地下深埋金属管道，在距离小铁管0.5 m的位置，布设一条测线，长度15 m，然后沿该测线按0.25 m间距观测其磁测异常曲线，模拟地下深埋管道的磁测异常响应特征，如图3所示。

图3 模拟实验示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation experiment

对该模拟实验获得磁测异常曲线进行逐级位场延拓，观察各级延拓后的磁测异常曲线，如图4所示。

图4 模拟实验原始磁测异常曲线及逐级延拓磁测异常曲线Fig.4 The original magnetic anomaly curve and the magnetic anomaly curve after successive continuation in simulation experiment

从图4模拟实验结果看，根据原始磁测曲线，在5.0～8.3 m范围内，磁测曲线有明显异常，对照无限长水平圆柱体的磁异常特征[10，11]，大致判断小铁管位于6.7 m位置；根据0.2 m、0.4 m、0.45 m、0.5 m、0.55 m逐级延拓后的磁测异常曲线，异常范围逐步“变窄”，异常幅值逐步“变大”；当延拓至0.5 m时，磁测异常曲线接近“尖脉冲”(由于采样点距为0.25 m，无法得到理想“尖脉冲”)，故可判断该小铁管(模拟管道)的异常包络中心距测线的距离为0.5 m，与实际小铁管的位置相符，证明通过位场延拓技术判断地下深埋管道与测线间的水平距离，方法可行、可靠。

3.2 天津滨海新区雨污分流改造项目深埋燃气管道探测

天津滨海新区雨污分流改造项目，拟沿津塘公路建设DN3 000 mm雨水主干管 3 400 m，采用盾构施工。根据前期调查资料，在新河集团门口位置有一条DN500中压燃气管道，材质为钢，埋设方式为拉管，其平面位置和埋深不详。该燃气管道对该工程的设计与施工有较大的影响，需要精确探明与线路相交处的燃气管道平面及埋深情况，见图5。

图5 工程示意图Fig.5 Schematic diagram of this project

本次探测采用孔中磁法。在燃气管道附近打一钻孔，将质子旋进式磁力仪探头放在孔中，按照0.25 m点距采集磁测数据，形成原始磁测异常曲线。然后将原始磁测异常曲线进行逐级位场延拓，可获得各级延拓后的磁测异常曲线，见图6。

图6 工区原始磁测异常曲线及逐级延拓磁测异常曲线Fig.6 The original magnetic anomaly curve and the magnetic anomaly curve after successive continuation in work area

从图6结果看，根据原始磁测异常曲线，在7.7～11.5 m范围内，磁测曲线有明显异常，对照无限长水平圆柱体的磁异常特征[10，11]，大致判断该燃气管道中心埋深为9.5 m。根据0.2 m、0.4 m、 0.5 m、0.55 m、0.6 m、0.65 m逐级延拓后的磁测异常曲线，异常范围逐步“变窄”，异常幅值逐步“变大”;当延拓至0.6 m时，磁测异常曲线接近“尖脉冲”(由于采样点距为0.25 m，无法得到理想“尖脉冲”)，故可判断该燃气管道的异常包络中心(近似为管道中心)距钻孔水平距离为0.6 m。 此外，由于频率域位场延拓在数值计算过程中存在固有的空间假频现象，所以图6中的磁测异常曲线背景段落会随着延拓距离的增大，而出现较大的假频干扰。

4 结 论

根据模拟实验结果，通过位场延拓技术去推断磁异常体距测线的距离位置，推断结果与磁异常体的实际位置相符，证明了该方法可行、可靠。

借助于天津滨海新区雨污分流改造项目，将本文介绍的孔中磁法位场延拓方法应用于钢材质的深埋燃气管道的精细探测中，成功从原始的磁测数据中提取到了该管道与钻孔间的水平距离。再结合前期调查资料，推断出了该燃气管道的平面位置信息，为深埋管线的探测解决了一项技术难题，同时为后续的工程设计与施工提供了科学的依据。

但是从图6中逐级延拓的磁测异常曲线看，该方法还存在延拓过程出现空间假频的问题，需要后期采用正则化延拓技术优化延拓算法，从而获得稳定的延拓后磁测异常曲线。