基于管线探测法与井中磁梯度法的地下超深金属管线精确定位

杨 超

(上海元易勘测设计有限公司，上海 201203)

1 引 言

地下管线是城市生命线，准确查明已有地下管线的情况，是城市建设、设计不可或缺的基本资料，否则设计的各种地下结构将因管线的存在而无法实施，或临时迁改管线影响工期，或造成管线损坏产生事故[1]，因此，查明地下管线是城市地下工程建设的重要基础问题之一。

地下管线的埋设方法主要分为两种：一种为开挖直埋式，埋深较浅；另一种为非开挖穿越式，一般埋设较深，其纵剖面呈中间深两边浅，中间区深度可达10 m以深。随着非开挖管线施工技术的广泛应用，地下管道埋设深度越来越大，超深管道的探测逐渐成为城市物探的一个热点和难点[2]。

针对超深管线的探查，一方面要确定其平面位置，另一方面要确定其深度。由于其埋深大，管径相对较小(DN324)，探测对象的几何尺寸与其埋藏深度之比远小于1/10[3]，因此，常规地面物探方法集体失效。用频率域电磁波峰法难以找到极大值、特征点位置[1,4]，需进行全剖面探测并反演[1,2,4,5]；用磁梯度法探测，无需施加信号，可精确探测深度信息，误差在±20 cm以内，这是任何其他物探手段所难以企及的[6]，但需要知道初步平面位置。

基于此，本文针对不同方法的优缺点，提出了剖面拟合反演与磁梯度法组合探测地下超深金属管线的探测思路。

2 方法原理及特点

2.1 频率域剖面反演法

线电流沿地下金属管道(金属管线)流动，在地面形成一定的磁场，通过观测该磁场形态可判断地下管线的位置和深度[1]。

单条地下管线时，近似于线电流，垂直管线走向的剖面上观测到的磁场水平分量Hx为：

(1)

式(1)中，Hx为磁场水平分量，单位：nT；x为观测点距管线水平距离，单位：m；h为管线深度，单位：m；i为电流强度，单位：A。

Hx为磁场水平分量，在某一点x处，电流i强度不变，随深度h的加大，Hx减小。在管线正上方，Hx与h成反比。理论曲线表明，地下管线深度愈大，在地面接收到的电磁场信号就越弱，其磁场水平分量的弦宽就越大，即异常峰值越平缓(图1)，因此，实际探测中，应直接观测基本场Hx，依据曲线总体趋势进行拟合反演，确定管线中心位置，获得深度信息[4]。

图1 不同深度管线理论电磁场强度曲线Fig.1 The theoretical electromagnetic field strength curves of pipelines at different depths

2.2 井中磁梯度法

磁梯度法是根据一定单位距离内地磁场强度的变化来对地下管线进行测量的一种方法。一般在均匀无磁性物质的土层中，其磁场强度理论上为地球磁场，或称为背景磁场，而如果在其中有铁磁性物质存在时，将会在其周围产生感应磁场，从而产生磁异常。

根据径向梯度公式[7](2)可知：磁梯度与形状系数n，距离r密切相关，磁梯度值随距离r的增加而衰减，当探头与待测目标水平间距大于1.2 m 时，几乎无任何变化了(图2)，因此规范要求，测试孔与待测目标间距宜小于1 m[8]。

(2)

式(2)中，Tr其为径向梯度，单位：nT/m；T为磁场值，单位：nT；n为与磁性体形状有关的参数，无量纲(球体n=3，水平圆柱体n=2等)；r为观测点到场源的距离，单位：m；A为与磁性体的磁性、几何尺寸以及磁化方向有关的常数，无量纲。

3 测线布置及数据采集

3.1 频率域剖面反演法

1)探测位置

根据现场实际情况及收集资料分析，选择河道东侧进行频率域剖面探测(位置见图3所示)，剖面位置尽量避开有干扰的地段，垂直于目标管道走向布置，长度大于管线深度的2倍[4]。

2)数据采集

采用PCMx-V3大功率管线仪，供电1 A，采集磁场水平分量Hx，测点间距0.2 m，测线长16 m，逐点观测磁场值并记录，保持接收机增益不变，数据不溢出，形成完整曲线剖面。

3.2 井中磁梯度法

1)探测位置

根据大功率结果选择于绿化带内及河道内进行磁梯度探测(位置见图3所示)。

图3 电磁法剖面测线及磁梯度孔位置Fig.3 The location map of electromagnetic section survey line and magnetic gradient hole

2)数据采集

采用廊坊兴尔XEGT-1磁梯度仪，根据大功率成果位置布置好钻孔，采用人工水冲法，成孔后将PVC(PVC，Polyvinyl Chloride)管下至孔中，随即将磁力梯度仪的探头放到PVC管内，从孔底部开始连续拉动线缆，以0.1 m的间隔依次向上记录各点的磁梯度值，到达孔顶后再往下探测以做校对。

由于是金属管道(DN324)，人工水冲钻PE钻头不会对金属管道产生破坏，如果钻头正好钻到管道上方，既确定了管道的平面位置，又得到了管道的垂直埋深。

4 探测效果分析

4.1 频率域剖面反演法成果分析

图4是利用大功率管线仪单端连接阴极保护桩激发信号时记录的Hx(磁场水平分量)曲线。由于地下管线埋深大，在地面接收到的磁场水平分量异常峰值平缓，至少3 m范围内无法确定管线中心位置。

对图4实测磁场水平分量Hx剖面，利用线电流产生的空间磁场理论模型(式1)，逐步改变模型参数，使理论曲线不断趋近实测曲线，实现拟合反演过程[1,4,9,10](图5)。实测曲线与理论曲线“一致性”较好，反应管道的平面位置在剖面起点4.8 m处，中心深度10.55 m。

图5 对实测磁场水平分量Hx曲线的拟合反演Fig.5 Fitting inversion of the measured Hx of magnetic field

4.2 磁梯度探测成果分析

分析剖面反演结果，在拟合反演的管道中心位置附近进行磁梯度探测，并依据现场情况调整后最终布置了YHK01、YHK02、YHK03等10个磁梯度孔，设计孔深15 m(图3)。

孔号YHK07、YHK03、K02分别于11.4 m、11.3 m、11.8 m钻遇管道，磁梯度曲线见图6，YHK04位于YHK03北侧，相距0.5 m，钻至15.5 m，曲线完整，管道异常位于11.41 m，根据磁梯度探测理论，地层与管道界面处会发生磁场强烈变化，从而产生极值变化界面，据此推测管道埋深位置。

从图6可以看出，在接近金属管道的钻孔(YHK07、YHK03、K02、YHK04)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(YHK04)。在稍微远离管道的钻孔内，梯度值的变化幅度相应减小，当水平间距大于0.9 m以后，梯度值较为平缓，不易区分，甚至无任何变化(YHK06、YHK02、K03、K01)。

4.3 剖面反演与磁梯度综合分析

从图4、图5可以看出，由于地下管线埋深大，在地面接收到的磁场水平分量至少有3 m范围的异常峰值平缓区，现场根据极大值等特征点法无法确定管道中心位置；而完整的曲线剖面有利于发现管线异常，并可根据曲线的圆滑、对称来判断是否受到外界干扰；结合线电流产生的空间磁场理论模型(式1)，实现拟合反演，确定管道的平面位置在剖面起点4.8 m处，中心深度10.55 m。据此设计磁梯度孔的位置和深度，可以高精度的得到管道的空间位置(图7)。

图6 地下DN324管道实测磁梯度曲线Fig.6 The actual curve of magnetic gradient

图7 地下DN324管道分布Fig.7 The distribution map of underground pipeline

5 结 论

1)地下管线埋深大，在地面接收到的磁场水平分量至少有3 m范围的异常峰值平缓区，现场根据极大值等特征点法无法确定管道中心位置；而完整的曲线剖面有利于发现管线异常，结合线电流产生的空间磁场理论模型，实现拟合反演，结果相对可靠准确。

2)依据拟合反演的结果设计孔位和深度，进行磁梯度探测，可减少盲目性，精确获得管道空间位置信息。

3)本次探测过程中，采用了地表间接的物探(剖面反演)方法，也采用了相对直接的探测(孔中磁梯度)方法，结果证明两者的结论相当一致，孔中磁梯度结果很好地验证了剖面反演的物探成果。