誘導偶極電磁感應法探測地下非金屬管道技術的應用與探討

裴世建

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

西安地鐵16號線沙河灘車輛段位于西咸新區(qū)沙河灘村，擬建車輛段為現(xiàn)狀農田和苗圃。車輛段東北側400 m范圍內有1條修建于20世紀80年代的水源管，材質為鋼筋混凝土管，內徑1 200 mm，承插式橡膠圈接口，采用明挖方式敷設，管道頂覆土1～3 m之間，管道已經(jīng)帶壓運行了近30年，結構不穩(wěn)定，容易爆管。由于該管道為自來水廠水源管，暫時無法搬遷，車輛段施工整理場地時要進行原位保護，因此需要準確探明該管道的位置及深度。管道產權單位提供資料與原勘察單位提供位置出入較大，最大相差近40 m，無法滿足設計保護要求，需重新進行精確探測，為設計提供準確數(shù)據(jù)。管道與擬建車輛段情況見圖1。項目前期，也開展了地質雷達和地震映像和面波[1，2]探測工作，均未探測到該管道。

圖1 管道與擬建車輛段關系示意圖Fig.1 Diagram of relationship between pipeline and proposed depot

2 方法試驗

2.1 地球物理特征

通過現(xiàn)場踏勘，場地地表以耕植土為主，下部為細砂、粉砂，土壤比較干燥。收集當?shù)赝惖貙游镄詤?shù)(表1)，地層電性參數(shù)差別較大，具備誘導偶極電磁感應法[3-5]開展探測工作的條件。

表1 物探場地物性參數(shù)

2.2 誘導偶極電磁感應法原理

在外電場的作用下帶正電的粒子和帶負電的粒子彼此分開，形成誘導偶極。誘導偶極電磁感應法是通過兩電極向地下發(fā)射交流電，是兩電極之間形成交流磁場，通過研究該交流電磁場中不同介質磁感應強度來獲取目標在場中的位置情況。在兩電極與大地形成的回路中，將目標管道與周圍介質視為并聯(lián)閉合電路，通過合適的發(fā)射頻率，使管道中產生的交流電流遠大于周圍介質中產生的電流強度，從而可從地面觀測到目標管道產生的磁場異常。在交變電磁場中的介質，其介電系數(shù)和導電率均視為復數(shù)形式，其值與σ、ω、μ和ε有關，在感應場中，根據(jù)Maxwell微分方程可以推導出電磁場的波阻抗公式[1]為

(1)

式中，σ為介質電導率(S/m);ε為介質介電常數(shù)(F/m);μ為介質磁導率(H/m);ω為場源角頻率(rad/s);Z為介質的電磁波波阻抗(g/cm·m/s)。

在無磁性介質(忽略μ的影響)中，電磁感應法探測地下管線時，一般要忽略位移電流[6-16]，即滿足σ?ωε條件(一般至少按2個數(shù)量級考慮)，若取管道周圍介質電導率σ=0.01 S/m、介電常數(shù)εr=10，則f須小于2×105Hz。按照式(1)可計算充水混凝土管道交流阻抗小于周圍介質阻抗，因此，在發(fā)射功率足夠的情況下，采用發(fā)射頻率小于200 kHz時，可進行地下管線探測。

2.3 方法試驗

方法試驗的目的是為了確定最佳發(fā)射裝置、發(fā)射頻率，更好地突現(xiàn)管道異常，試驗裝置[2]見圖2。電極AB與擬探測管道成小角度或近似平行布置，試驗過程中，發(fā)射功率、接地條件不變，通過改變D(注：本裝置收發(fā)距D=發(fā)射、接收導線與AB連線間的距離)和發(fā)射頻率f，對比分析觀測剖面上磁場響應強度，確定最佳發(fā)射裝置和發(fā)射頻率。

圖3和圖4分別為不同發(fā)射頻率和不同收發(fā)距地面磁場響應對比曲線。從圖3和圖4可以看出，在滿足σ?ωε的條件下，理論上發(fā)射頻率越高，效果越好；但受發(fā)射功率限制，頻率越高，管道中交流損耗越大，地面接收到的磁場強度并不隨頻率的增加而增大。D越大，管道異常反映越明顯，但收發(fā)距過大，現(xiàn)場實施難度增加，因此在滿足分辨率的條件下選擇最小收發(fā)距。通過方法試驗，本次探測工作收發(fā)距D確定為50 m，發(fā)射頻率f選擇8 kHz或33 kHz。

圖3 不同發(fā)射頻率地面磁場響應對比曲線Fig.3 Comparison curves of ground magnetic field responses at different transmission frequencies

圖4 不同收發(fā)距地面磁場響應對比曲線Fig.4 Comparison curve of ground magnetic field response at different transmit-receive distances

3 探測效果

本次探測工作需準確探明車輛段400 m范圍內管道位置，考慮在A、B電極附近存在干擾區(qū)，因此L(發(fā)射電極與接收電極間的距離)布置為500 m，A、B電極分別布置于測區(qū)50 m以外，入土深度為1.5～2.0 m，發(fā)射功率為10 W、發(fā)射頻率8 kHz、回路電流強度為27.8 mA。由于該探測方法可以連續(xù)追蹤，因此首先需在合適位置確定管道位置的布置，然后向兩側追蹤，每5 m去確定一次管道位置。本次初步確定管道位置的觀測剖面選擇在AB中點附近，觀測剖面長50 m，包含管道可能存在的范圍，發(fā)射裝置及觀測剖面布置見圖5。地面觀測時管線儀接收機不進行增益調節(jié)，按2.5 m間隔記錄磁感應強度，突變時加密觀測，剖面磁感應強度曲線見圖6。通過磁感應強度曲線分析，管道中心位置位于距剖面起點22.5 m處，根據(jù)曲線特征點[4，11]判斷管道中心深度為2.5 m(按壁厚0.1 m計算管頂埋深為1.8 m)。為確定探測結果的準確性，在觀測剖面確定的管道位置進行人工開挖驗證[12-16]，通過驗證，得出管道中心位置偏差13 cm、管道頂埋深123 cm。根據(jù)驗證結果，對后續(xù)追蹤點位深度進行修正。

圖5 發(fā)射裝置及觀測剖面布置Fig.5 Layout of launching device and observation section

圖6 觀測剖面磁感應強度曲線Fig.6 Magnetic flux density curve of observation section

圖7 管道開挖驗證照片F(xiàn)ig.7 Photos of pipeline excavation verification

4 結 論

通過本次探測實例證明，誘導偶極電磁感應法可以很好地解決充水非金屬管道探測難題，與地質雷達、地震映像等物探方法相比，其探測精度及效率優(yōu)勢更明顯，更可延伸用于地下暗河、地下水等低阻異常體方面的探測。

由于在交流電磁場下，當?shù)叵鹿艿琅c周圍介質差異不太大時，不能忽略管道與周圍介質附近位移電流產生的磁場，因此，通過磁場強度曲線特征點來判斷管道深度時會有較大偏差，需通過較多的已知數(shù)據(jù)進行修正。