基于竖直剖面法实现近间距平行及大纵深管线的精确定位

梁 国

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510170)

1 概述

地下管线是城市的生命线，像血脉一样滋润着一座城市，地下管线安全也时刻影响着城市的运营发展。近年来地下管线不断扩张发展，且缺乏相关权属单位的有效管理，“马路拉链”和“马路蜘蛛网”时刻影响着城市的安全[1]。因此，如何准确探明地下管线的空间位置成为了地下管线安全、资料管理和城市更新建设的重要内容。

地下管线按照设施类型分为电力、电信、给水、排水、燃气、热力、工业管线和井盖8大类，一般埋深小于3 m的浅层管线可通过管线探测仪(直读法、50%法或70%法)和探地雷达准确获取其平面位置和埋深；埋深大于3 m的管线，利用传统方法探测会存在深度越深探测精度误差越大，甚至无法探测的情况。由于近年来非开挖技术的充分使用，行业出现越来越多的疑难管线，陈穗生将管线探测总结为近间距平行、多电缆管线、深埋管线和非金属管线四大难点类管线[2]。不同专家采用孔中磁梯度法、地震映像法[3]和三维轨迹惯性定位等技术解决此类疑难问题，但在某种程度上存在局限性。本文兼顾近间距平行及大纵深管线探测的难点，结合典型工程案例，利用竖直剖面法获取精确的探测成果。

2 原理

2.1 直读法、50%及70%法探测原理

直读法、50%及70%法是基于FDEM法(频率域电磁法)原理的基础上进行金属管线探测，获取单一管线的空间位置信息。FDEM法应用的前提是金属管线沿某一方向具有良好的导电性，并且金属管线管径远小于其埋深，其内部通以电流后可视为线源场并在周围产生磁场。根据毕奥-萨伐尔定理[4](磁场强度分布见图1)，单根无限长载流直导体在地面某点G产生的磁场强度HG(A/m)为：

(1)

式中：

I——管线的电流强度，A；

μ0——真空中介质的磁导率，H/m；

r——G点到直导线的距离，m；

π——圆周率。

(2)

式中：

Hz——磁场垂直分量，A/m；

g——常量；

x——接收机与管线在平面上的距离，m；

h——接收机与管线中心的高差，m。

直读法：无论是宽峰或是峰值模式下的接收机在目标管道正上方时，电流最大，可直接读出目标管线的埋深。50%法：在宽峰模式下，当x=h时，峰值两侧50%处的磁场强度为峰值的一半。70%法：用x=h/2时的磁场的垂直分量和x=0时的磁场垂直分量做比值，并考虑探测仪器的下-水平分量线圈、垂直分量线圈和上-水平分量线圈。因此，可推导出：

(3)

式中，D值为接收机下上水平线圈的间距(为常量0.4 m)。根据公式3绘制不同埋深管线比值b(常量)的曲线图，可知当0.5 m≤b≤3 m时，比值介于0.692～0.721之间，当b>3 m时，b值也逐渐增大，该方法带来的误差也越大，因此，70%法是适用0.5 m≤b≤3 m一种经验值法。

2.2 竖直剖面法探测原理

竖直剖面法的探测原理是将探测水平剖面磁场的水平分量旋转90°，变成探测磁场的垂直分量[5]。亦是测量单根无限长载流直导体的垂直磁场变化情况。其主要分为两个步骤：

初探：找到目标管线的出漏点或测试桩，采用直连法双端连接测试桩的工作布置，如无法两端连接测试桩可远端接地(尽量远离发射源)；使用大功率设备，稳定输出电流，提高信噪比，追踪有效探测信号；选择发射信号频率低的设备，频率低有利于远距离传输[6-7]。先布置水平剖面探测线，使用50%或70%法采集磁场分量数据，间距0.2 m记录一组数据。后续反演计算分析，得到目标管线的大致位置和埋深。

精探：得到目标管线的大致空间位置后，充分考虑初探的精度值，确保安全且能观测到完整的竖直剖面磁场信号，在距离目标管线3 m内的位置布设孔位，孔位的深度一般为待测目标管道的深度的2倍即可。理论上钻孔的深度值等于目标管线的深度值，但实际上勘察打孔时未必垂直，有一定的倾斜，此时应测斜，根据公式计算加以改正。

Δ=hcosθ

(4)

式中：

Δ——管线埋深，m；

h——待测目标管线的深度，m；

θ——倾斜角度；

h可以通过量取钻杆或是直接量取孔深得出，θ可以通过钻机倾斜系统得出，二者都为常数[8]。

钻孔结束后，将PVC套管放入钻孔，使用分离式探头下穿钻孔对磁场进行重复检测，间距0.2 m记录一组数据，自上而下及自下而上分别进行采集数据，分别使用0.64～33 kHZ频率分别采集数据，后续反演计算，对比分析，得到目标管线精确的空间位置[9](竖直剖面法原理见图2和图3)。探头读取目标管线磁场的垂直分量，根据FDEM法原理，推导公式为：

图2 双端激发布置示意

图3 超深管线探测示意

(5)

式中：

K——常量(当发射机电流稳定时)；

y——钻孔改正后的垂直深度，m；

H——目标管线的垂直深度，m；

L——目标管线到钻孔的水平距离，m。

当y=H时，Hz为最大值，当y=H±L时，根据50%法，Hz为峰值时的一半，据此可计算出L值。

2.3 孔中磁梯度法探测原理

无铁磁性物质在土层中，磁场应该是均匀稳定的，若存在铁磁性物体时，其周围会分布强烈的磁异常，磁测线会发生畸变。磁梯度法就是将探测的目标铁磁性管线等效为无限长水平圆柱体，此时，目标铁磁性管线周围区域分布有强烈的感应磁场，通过观测其磁异常的畸变化，根据梯度值的分布情况来判定待测体的位置及埋深[10-11]。作磁梯度峰值衰减曲线图(见图4)，从图4中发现孔中磁梯度法的局限性非常明显，在距离带磁性目标管线的1.0 m范围内的探测效果较好，超过1.2 m范围，磁梯度值无任何变化[12]。

图4 磁梯度峰值衰减曲线示意

2.4 三维轨迹惯性定位探测原理

三维轨迹惯性定位探测是利用惯性传感器(陀螺仪、加速计等)进行导航与制导的一种完全自主的导航定位技术，依据测量载体的加速度(惯性)及角速率，推算出载体的瞬时速度、相对位置和姿态[13]。结合管道出入口的坐标值，获取管道三维轨迹坐标(测量原理见图5)，该方法能获得目标管道真实的空间三维轨迹图。

图5 三维轨迹惯性定位测量示意

3 工程实例

3.1 封开县江口镇防洪工程超深地下管线探测项目

据收集资料显示，测区内共埋设有3条过江管道，均为金属管道，1条燃气管道管径为DN219，2条污水管道直径为DN300。3条管道近间距平行，深度均超过10 m。资料显示燃气管位于两条并排污水管的左侧，为了给设计和施工部门提供准确详细的管线资料，需要对管线进行精确定位。

3.2 竖直剖面法探测

首先利用水平剖面法初测，水平剖面线间距为18～30 m，经过初探数据计算后得到管线的预定位值，然后布置钻孔进行精探，结合项目实际情况需要布置9个钻孔(水平剖面线及孔位布置见图6)。

钻孔结束后，加衬50 mm的PVC套管，对每孔测斜，获取倾斜改正数。后将分离式探头下潜钻孔，使用640 Hz～33 kHz频率自上而下及自下而上分别采集每条管的磁场数据，0.2 m记录一组数据。外业重复观测采集，内业大量数据重复反演推敲计算，屏蔽干扰项，获取准确的目标管线探测资料，经过倾斜改正后获取最终成果。

3.3 成果

本项目布设的9孔分别进行目标管线的探测，根据实际情况，每孔位至少探测1条或以上目标管线，封开县江口镇防洪工程超深地下管线部分孔位的探测成果曲线见图7～图15。

图7 燃气-1处观测曲线示意

图8 燃气-2处观测曲线示意

图9 燃气-3处观测曲线示意

图10 污水1-1处观测曲线示意

图11 污水1-2处观测曲线示意

图12 污水1-3处观测曲线示意

图13 污水2-1处观测曲线示意

图14 污水2-2处观测曲线示意

ZK7处探测的燃气-1、ZK3处探测的燃气-2及ZK4处探测的燃气-3成果曲线见图7～图9。从图中可以得到燃气-1管顶埋深为15.5 m、燃气-2管顶埋深为14.7 m及燃气-3管顶埋深为10.5 m，根据50%法分别计算出燃气-1、燃气-2及燃气-3离相对应钻孔水平间距为3.3 m、3.3 m及3.5 m。

ZK7处探测的污水1-1、ZK8处探测的污水1-2及ZK5处探测的污水1-3成果曲线见图10～图12。从图中可以得到污水1-1管顶埋深为23.45 m、污水1-2管顶埋深为23.25 m及污水1-3管顶埋深为19.85 m，根据50%法分别计算出污水1-1、污水1-2及污水1-3离相对应钻孔水平间距为2.1 m、1.7 m及9.3 m。从图12显示由于燃气管道与探测的污水管线间距较窄，有一条曲线左侧存在磁场变形异常，这两条目标管道通过探测数据反复验证对比判断才获取准确数据。

ZK1处探测的污水2-1、ZK6处探测的污水2-2及ZK5处探测的污水2-3成果曲线见图13～图15。从图中可以得到污水2-1管顶埋深为22.65 m、污水2-2管顶埋深为19.45 m及污水2-3管顶埋深为13.05 m，根据50%法分别计算出污水2-1、污水2-2及污水2-3离相对应钻孔水平间距为4.2 m、0.7 m及3.5 m。

4 成果对比分析

综合计算分析封开县江口镇防洪工程超深地下管线探测成果曲线图，获取了目标超深管线的精探成果，3条管道的平面位置见图6，最左侧为1条污水管道，紧挨着为燃气管道，2条管道间距1 m左右，最右侧为另1条污水管道，2条污水管道的埋深接近20 m，完全推翻了收集资料的准确性，避免工程建设施工带来的安全误判。为了验证成果的精确性，根据实际情况，每条管线钻孔验证1处，在管道正上方垂直钻孔，直至触碰到目标管线，验证钻孔深度经过倾斜改正后和竖直剖面探测点成果对比(统计见表1)，结果表明，成果数据可靠，探测精度满足技术规范要求。

表1 竖直剖面探测点与验孔成果对比 m

采用管道三维姿态测量仪对燃气管道进行三维轨迹惯性定位，得到的成果和竖直剖面法探测成果对比(对比结果见图16所示)。从图中可看出，3处探测点基本贴合三维轨迹，平面位置较差最大值为0.05 m，埋深较差最大值为0.03 m。

图16 燃气三维轨迹图及竖直剖面成果差值示意

考虑实际污水管道清管困难及两端出漏点间距太远，若采用三维轨迹惯性定位测量难度大，因此，在钻孔ZK6采用孔中磁梯度法对污水管线进行探测(探测成果见图17所示)，从图中可以看出，19.55 m处存在1个磁异常值，跟探测点污水2-2的深度较差为-0.05 m。

图17 孔中磁梯度探测成果示意

5 结语

近间距平行及大纵深等疑难管线的探测时，直接钻孔法探测，虽直接准确得到目标管线的空间位置，但无法确保钻到管线正上方及钻孔垂直度达到要求，且判断钻到障碍物还是目标管线是一个很难判断的课题；孔中磁梯度法亦会受到钻孔离目标管线间距的限制；而三维轨迹管线定位需要开挖和破管，对权属单位的管线损失是不可逆的，并且随着目标管线越长，其误差值越大。

竖直剖面法不受目标管线深度的影响，定位精度高，对钻孔离目标管线间距无特殊要求，且无需要开挖破管，优势显著。大量数据对比分析证明成果各项指标满足规范要求，精度高，在保障地下管线安全，近间距平行及大纵深管线疑难管线探测经验上具有重要参考意义。

竖直剖面法是点位探测，无法生成管线的三维轨迹，对技术人员的理论和经验判断要求也很高，特别是在近间距平行管线时候，磁场曲线会产生变形，如何排除干扰，获取目标管线的准确数据并不是一件易事，应不断加强理论知识方面的学习。