超深金属管线探测技术研究

黎慕韩 沈飞飞 周 磊

(天津市测绘院有限公司, 天津 300381)

0 引言

近年来,随着城市建设的快速发展,市政管线的埋设方法日新月异。非开挖施工工艺因其施工速度快,对周边环境影响小,能够有效避开道路、河流、居民区,加之成本低等优势,被越来越多的管线施工单位所采用[1-4]。通过这种方式埋设的管道在地下一般呈抛物线走势,最深处往往在10 m甚至20 m以上,如果当时未有测绘现状竣工资料,完全依赖后续管线探测来对管线进行准确的定位、定深,是比较困难的[5-8]。

常规低频电磁感应法,如里奇、雷迪等金属管线探测仪,即使找到明显点利用直连法探测,一旦深度超过10 m,信号衰减将会非常严重,即使大致测出平面位置和深度,结果的可靠性也会较低[9]。而利用高频电磁波法的探地雷达等设备,常常也会由于深度过大、管径太小、地下介质复杂等原因,形不成有效的回波[10-12]。通过研究发现,利用常规金属管线探测仪,如PCM+等,先对超深的金属管线进行大致定位和定深,然后钻孔,采用孔中磁梯度法和电磁感应竖向剖面法两种手段相结合逐渐逼近管线的方法来查清管线的位置及埋深[13-14]。

1 基本原理

1.1 磁梯度法

一般在均匀无铁磁性物质的土层中,其磁场强度理论上应是均匀场,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[15-16]。由于金属管道属于强铁磁性物质,在其周围区域分布有较强的磁场,因此,可以通过观测其磁异常的变化,尤其是垂直分量Za的梯度值分布来判定金属管线的平面位置及埋深。

通过钻孔的手段将磁力梯度仪探头下到钻孔内,由上而下测量水平金属管道在垂直方向上的Za曲线变化,可以得到较理想的效果。图1为水平金属管道在垂直剖面上的Za梯度值的理论变化曲线。

由图1可知，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”形。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0.8 m时,几乎无任何变化。

图1 金属管道在垂直剖面上的Za梯度值理论曲线

实际探测中,在探测区域内按一定的间隔布置若干个钻孔,成孔后将空心塑料管下至孔中,随即将磁力梯度仪的探头放到塑料管内,从孔顶开始以0.05 m的间隔依次往下测量各点的磁梯度值,到达孔底后再往上探测以作校对。根据磁梯度值的变化可以明确地判断金属管道的埋深及平面位置。

1.2 竖向剖面法

概括地讲,竖向剖面法就是在地面上用水平剖面观测法对目标管道进行预定位。探测过程中,在目标管道旁侧钻进一条竖向通道,将接收机与低频电磁波探头分离,然后将电缆连接的探头在通道里采集数据,自上而下测量电磁波信号在垂直方向上的曲线变化,并对数据曲线成像进行反演分析,找出目标管道位置和埋深。因此,可以通过观测其电磁异常的变化及分布来判定异常物的平面位置及埋深,从而确定探测区域是否有电力管线。竖向剖面法探测模型如图2所示。

图2 竖向剖面法探测模型

1.3 基于磁梯度和竖向剖面法的超深金属管线探测新方法

本文提出的超深金属管线探测新方法作业流程主要分为5步：

(1)基于设计资料寻找管线大概位置。

(2)基于常规地面探测制备进行初步探测,寻找信号相对强的地方作为剖面初始位置。

(3)确定打孔面探测距离。

(4)围绕探测中心点,左右以此打孔,获取孔洞的磁梯度值。

(5)分析孔洞探测结果,重新调整探测区域,直到准确探测到稳定信号。

2 工程实验分析

2.1 试验概况

某管道工程准备以顶管方式埋设DN1200供水管线一条,设计管顶埋深12 m,横穿路径有一条DN400高压金属燃气管道,通过查阅资料,以及利用常规金属管线探测仪已找到其大致位置及埋深(8 m左右),但为了施工安全,现需要准确探测出这条燃气管线,本次所使用的设备有PCM+管线探测仪、孔中磁梯度探测仪、竖向剖面法电磁感应探测仪,以及100型钻机一台用于钻孔。

2.2 工程流程

采用基于磁梯度和竖向剖面法的超深金属管线探测新方法对该燃气管道进行精探,本次实验主要分为六个具体步骤。

(1)通过前期的管线初探,确定管线探测范围。为有效保护既有管线并结合管线最可能的深度(10～15 m),钻孔时采用特制塑料钻头在3～15 m严格采用水冲法成孔,即通过高压水(水压0.8 Mpa)的反复冲孔而成,这样充分保证管道及其外包防腐层的安全。本次实验选取了2个断面进行实验。

(2)在打孔位置下套管。钻孔钻好后,将Φ50的PVC管下至孔中,管底封闭以防水。

(3)孔中磁体度探测。下完套管后将磁梯度仪的探头放到PVC管内,依次往下测量各点的磁梯度值。

(4)分离式电磁感应探测.下完套管后将电磁感应仪的探头放到PVC管内,依次往下测量各点的电磁场梯度值。

(5)采用以上方法完成其他各孔的探测。根据完成各孔的磁梯度值和电磁感应信号的变化情况,综合判断探测断面管道的埋深及平面位置。

(6)孔位及孔口标高测量。所有测试工作完成后,对的所有钻孔进行孔位以及孔口标高的测量,进而获取管道精确的平面位置和高程。

2.3 数据分析

采用孔中磁梯度法进行数据采集和后处理,剖面1和剖面2的磁梯度值曲线分别如图3和图4所示。磁梯度信号稳定,呈现出较好的波浪曲线。

图3 剖面1磁梯度值曲线图

图4 剖面2磁梯度值曲线图

分别结合两个剖面钻孔管道的出漏长度和天线高数据,计算两个相邻剖面的燃气管道埋设深度,结果如表1所示。从结果中发现,两个剖面的管线探测深度具有很好的一致性,探测结果可以准确获取管道的埋深,满足规范和施工要求。

表1 管道埋深探测结果

3 结束语

对于超深的金属管线,单纯采用常规电磁感应等管线探测方法,由于电磁信号衰减的影响,获得的数据往往失真,甚至测量不到数据。而通过常规探测方法大致定位,再利用磁梯度法和竖向剖面法获取数据,相互验核对比,就可较为准确地测量出超深金属管线的位置和埋深。本研究提出的探测方法和工作流程具有较高的精度和可靠性,在工程应用中具有较强的可操作性,具有一定的借鉴意义。