穿越長江超深鋼質(zhì)燃氣管道水上探測方法與技術(shù)的研究

常慶芳　金富

摘要： 文章主要介紹如何對其穿越長江天塹，敷設(shè)于江底達20多米埋深的鋼質(zhì)燃氣管道，在水上進行探測方法與技術(shù)的研究，其中包括加大探測深度“探孔探測法”研究及水上如何實施管道探測與RTK動態(tài)測量、水深儀探測水深同步技術(shù)等。

Abstract： This paper mainly introduces how to study the overwater detection methods and techniques of the steel gas pipeline cross Yangtze River and lay it in the river more than 20m. These mainly includes increasing the studies of detection depth "hand-hole detection"and how to implement the water pipeline detection and dynamic RTK measurement， water depth detection and water depth synchronizing detection.

關(guān)鍵詞： 管線；超深管線探測；水上同步探測；水下天線

Key words： pipeline；ultra-deep pipeline detection；overwater synchronizing detection；underwater antenna

中圖分類號：TU996.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0091-04

0 引言

地下管線探測技術(shù)人員熟知，對埋設(shè)于地下且深度不超過5m的金屬材質(zhì)管線在其探測中，相對于非金屬管線而言，就目前探測技術(shù)水平，乃是一件易事。然而，近年來在各種市政管道建設(shè)中，當管道需要通過街道、水溝，河流等區(qū)域時，采用開挖溝槽方式鋪設(shè)施工難度非常大，目前大多采用非開挖即俗稱“頂管”技術(shù)予以實施。為避免地下原有管線或其它隱蔽物而不得不依實際情況隨時改變鋪設(shè)方向或深度（埋深可達近10m甚至更深）。埋深的加大給以原有的金屬管線探測方法與技術(shù)提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有儀器設(shè)計有效探測深度大多都在5m以內(nèi)，超常埋深管道定位和定深誤差均超過“城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程”中的限差要求，除此之外，若被探測管線穿越江河，湖泊等地段，由于有水原因給予探測帶來更大難度，為適應(yīng)市場需求和提高我國管線探測方法和技術(shù)水平，近年來，我公司結(jié)合具體工程開展不少方法實驗和技術(shù)探討，在此，結(jié)合工程實例，與同仁做經(jīng)驗介紹和技術(shù)交流并請指正。

1 工程簡介

1.1 工程目的與任務(wù)

武漢科島地理信息工程有限公司受委托，需對敷設(shè)多年、穿越長江，長約800余米，直徑？準711㎜（外徑）鋼管材質(zhì)的天然氣管道的平面位置和埋深的探測。

1.2 實際完成的工作量及提交的成果

本次管線探測工程實際完成探測面積達35000m2，探測燃氣管線總長為870m，管線點總數(shù)20個，繪制地下燃氣管線圖一幅。

1.3 燃氣管線周圍介質(zhì)，地球物理特征和施工環(huán)境

①燃氣管線周圍介質(zhì)和地球物理特征。本次所需探測的金屬燃氣管線穿越長江水底界面的巖性有粉質(zhì)粘土，粉砂巖，粉細砂巖層，從巖石性質(zhì)來看，經(jīng)數(shù)萬年的浸泡和沖刷，使原本有的高阻巖石的物性變成某種程度的較低電阻率之物性，雖與需要的金屬管道仍有著較為明顯的電磁性差異，仍不失應(yīng)用電磁法進行探測的原理基礎(chǔ)，但必定會由于介質(zhì)的電阻率減低而給以方法的應(yīng)用帶來影響，尤其是在測深和定位的精度會帶來額外誤差。然而，對我們此次探測段經(jīng)調(diào)查可幸的是其附近沒有其它隱蔽工程（例如：光纜，動力電纜和其它金屬管線）的存在，從而給以有用信號的提取與識別帶來有利的一面。

②施工環(huán)境。施工區(qū)為長江江面。本次工程必須在水流湍急波浪起伏的長江水面上，對距江面深達30m～50m的江底之下燃氣管道三維坐標之探測，可見，無論在方法上，還是技術(shù)上都面臨著極大的挑戰(zhàn)。

2 技術(shù)難度分析與措施

2.1 技術(shù)難度分析

本次工程與以往管線探測最大的不同點，亦即是最大的技術(shù)難點在于以下三個方面：其一是超深金屬管線探測，其二是水上探測，其三是在流動的江面上進行探測，就必定涉及到數(shù)據(jù)采集之同步的問題。鑒于對本次探測工程所面臨的三大技術(shù)難點，除利用以往經(jīng)驗外，還針對不同問題開展了方法研究。

2.2 措施

2.2.1 超深管道位置探測方法研究（探孔探測法）

我公司在以往幾年里，承擔非開挖地下管線探測工程較多，在其探測深度上做了大量的方法和技術(shù)探討與現(xiàn)場實驗并取得了較好效果。在此做以介紹，同時此次長江超深，水上對燃氣金屬管道的探測亦應(yīng)用了我們積累的成果。

①探測儀器為ZB-2008型金屬管線探測儀，單線圈可轉(zhuǎn)動探頭，探其二次磁場水平或垂直磁場分量。

②探測方法。在需要探測的管道附近打探孔，將儀器的探頭做好防水絕緣處理，放入探測孔內(nèi)，逐漸接近要探測目標管道，根據(jù)不同深度和不同水平位置探測孔內(nèi)二次場強信號流變化，分析出目標管道的位置和深度，探頭越接近管道誤差越小。

2.2.2 探測數(shù)據(jù)分析方法

探測超常埋深金屬管道位置，首先在探測目標管道（根據(jù)調(diào)繪資料）附近打一個？準100㎜之勘探鉆孔，通過把儀器拾波探頭放入樁孔內(nèi)，逐漸接近管道，探測誤差會逐漸縮小，先采用“谷值法”探測，如果探頭放入樁孔后，儀器信號增益，調(diào)到比較大時，目標管道磁場感應(yīng)信號強度很小或接近于零，說明目標管道在樁孔正下方或距離很近，如果目標管道磁場適應(yīng)信號有一定的值，說明目標管道不在樁孔正下方，與樁孔有一定水平距離。通過分析比較樁孔內(nèi)多個不同深度所獲取的信號強度大小，可以判斷出樁孔與目標管道的水平距離和垂直距離。通過比較不同水平位置兩個孔內(nèi)同一個深度磁場感應(yīng)信號大小，即可以分析出目標管道在樁孔的方向，換而言之，亦可探出目標管道的具體位置。

勘探孔超深地下管線位置探測示意圖如圖1所示。

上述分析方法，該公司在以往地鐵管線探測工程中（因有工程勘探孔）多次使用，解決諸多超深（達20m以上）金屬管道探測難題。由于我們掌握超深金屬管線探測技術(shù)，在其本文介紹的長江水上探測燃氣金屬管道就采用了本技術(shù)和方法并取得良好探測效果。

2.2.3 水上探測

作者以往曾在湖泊水上進行過敷設(shè)于湖底下面距水面管埋深約6m，任務(wù)系對燃氣鋼質(zhì)管道外防腐絕緣狀況檢測，方法為“PCM多頻管中電流法”。探測人員在其小船（小船被隨時拋錨固定）上進行操作，取得良好效果。然而此次長江水上探測，則是面對波濤起伏的長江，根據(jù)施工環(huán)境，我們使用水上測量船配合RTK及水深儀等測量設(shè)備和水下天線進行探測。水深儀用于指導(dǎo)水下探測天線基本隨江底地形并保持一定深度而移動。除此之外，還可根據(jù)方法需要，隨時提供水下探測天線所需置于江中不同深度之位置，為實現(xiàn)“探孔探測法”的應(yīng)用，經(jīng)在工程所需探測段的實際模擬實驗中，結(jié)論是：還需加大人工場源信號強度；從低頻8kHz為佳，余下的探測技術(shù)難點只是如何實現(xiàn)探測與RTK動態(tài)采取坐標數(shù)據(jù)同步問題。

2.2.4 同步探測

實現(xiàn)同步探測應(yīng)獲取的同步數(shù)據(jù)有：長江水深，金屬燃氣管道所處的平面位置（根據(jù)管道二次場強度和異常形態(tài)做出判斷）和應(yīng)用RTK對燃氣管道三維坐標的數(shù)據(jù)采集。該項任務(wù)，在某種程度上是利用水魚控制天線解決了實現(xiàn)同步探測的技術(shù)關(guān)鍵。

2.2.5 實測全過程

由于該項工程特點和難度，我公司技術(shù)人員在較為堅實的方法與技術(shù)準備的基礎(chǔ)上開始實測，實測工作分兩部分進行，即地面和水上。

①地面工作。地面工作其任務(wù)系在燃氣金屬管道上用于檢測“階段保護電位”的檢測樁上供以人工電場源，發(fā)射機型有三種，RD-8000型和RD-4000型，頻率分別為8kHz，33 kHz和65 kHz，供電電流I為 250mA，除此之外，為增加輸送電流和減小接地電阻R起見，與長江對面之“陰極保護檢測樁”的金屬管道連接樁柱予以接地，故而，形成金屬管道探測的兩端回路法。此種裝置可加大探測深度，獲取真實可靠的有用異常信號。通過方法實驗，最終采用RD-8000型發(fā)射機做為場流，以頻率8kHz進行該金屬管線探測。

②水上探測。借鑒先期水上探測實驗經(jīng)驗，作者根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，將測量船速控制在每5s/m，船上使用水深儀探測江面至江底水深，獲取水深后，在水下天線確保不碰江底情況下，使用水下天線并使用測量船上的水魚控制天線行駛和所需探測位置。在根據(jù)調(diào)繪資料在其管道附近反復(fù)進行了S型追索并同時收錄RTK之所測數(shù)據(jù)。在管線探測異常段，每個測點除做垂直方向探測不同深度場強外，還在垂直管線走向方向做8次來回探測確定管線平面投影位置，爾后應(yīng)用70%比值法確定埋深。

順便在此尚需提及的是在實測中，水上所用金屬管線儀接收機為RD-400型，（在地面已對RD8000型和400型接收機增益進行了系數(shù)改正和換算）原因系所用水下天線接口僅能配用RD-400型接收機。

3 探測誤差分析及質(zhì)量評述

3.1 探測誤差分析

此次探測工程與地面金屬管線探測工程不同點有超深，江水和同步三點會造成某種程度不同的探測誤差，就其該三點做如下誤差分析。

3.1.1 管線探測深度誤差分析

根據(jù)《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》對地下管線埋深為0.15H（H為管幾何中心至地面高），我們應(yīng)用本文中所提出的《探孔探測法》，將此次在水中不同埋深段所采集的B1、B2甚至B3進行了計算，即便對埋深達24m位置的管線點與我們通常使用的70%比值定深法，兩者獲得之深度絕對誤差亦僅在6%，由此不難看出，此次超深管線探測方法和技術(shù)是正確可行的。

3.1.2 水介質(zhì)對探測誤差分析

由上述公式不難看出，水對電磁波的傳播僅影響幅值大?。ǚ禍p?。┎⒉挥绊懏惓Ｐ螒B(tài)，說明仍可應(yīng)用地面探測的方法理論和技術(shù)。

3.1.3 同步探測準確性程序的誤差分析

此次工程從方法原理和技術(shù)上，獲取電磁信號和水下天線位置的坐標（采集應(yīng)絕對同步）。但由于客觀原因無法絕對做到。雖此次測量船行駛進度5s/m，但依然會給水下燃氣管道平面位置帶來一定程度的誤差。根據(jù)《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》中平面位置限差為0.10h，此次探測結(jié)果，據(jù)與甲方提供的原有調(diào)繪資料對比，我們所提供的最終成果誤差均在2.0m內(nèi)，附和《規(guī)程》平面限差之要求。

3.2 質(zhì)量評述

作者從事地下管線探測以來，在全國進行過多個城市地下管線探測，但絕大部分系地面上進行，雖亦做過河流、湖泊下的管線探測，但技術(shù)難度絕非與此次探測相比，為了完成這一任務(wù)，不僅在地面進行實驗，還在室內(nèi)亦做了諸多方法研究。正像在“誤差”分析中所述，為了保證探測質(zhì)量，還曾在實驗區(qū)進行了方法實驗。除此之外，還在實測中獲取大量的數(shù)據(jù)進行反復(fù)對比，去偽存真，應(yīng)用可靠的數(shù)據(jù)予以成圖。最終提交成果的附合《規(guī)程》要求，得到用戶和好評。

4 結(jié)束語

本次探測穿越長江的水下金屬燃氣管線僅有不足1公里長，10個管線點，但從它所穿越之高程在-9.1m～

-22.64m之間或波動，而水面的高程為12m，水底地面高程在6.3m和-6.5m范圍內(nèi)起伏，不僅如此，敷設(shè)管道離江底埋深亦隨之江底起伏而在12米和28米之間變化，由此數(shù)據(jù)不難看出，技術(shù)難度絕非一般。本次探測工程，對我公司亦尚屬首次，可謂是開歷史之先河。正因如此，筆者才想借貴刊一角，與同仁做技術(shù)交流，起到“拋磚引玉”之作用，以望提高我國地下管線探測水平。

參考文獻：

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