孔中磁法位場延拓在城市深埋金屬管線精細(xì)探測中的應(yīng)用研究

程彬彬，劉黎東,裴世建，于 強(qiáng)

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

隨著城市化進(jìn)度的加快，在舊城區(qū)改造的過程中，由于年代久遠(yuǎn)、建設(shè)施工資料存在誤差、缺失等問題，地下深埋管線嚴(yán)重影響著新建工程的設(shè)計(jì)與施工。由于該類管線埋深大、個體小的緣故，傳統(tǒng)的地面物探方法很難進(jìn)行準(zhǔn)確定位，因此近年來國內(nèi)大量物探工作者對地下深埋管線的探測問題進(jìn)行了研究和應(yīng)用。裴世建通過分析地下電磁場沿金屬管道的傳播特性，利用地面低頻充電大回線法大致確定了地下深埋燃?xì)夤艿赖奈恢眉奥裆頪1]。韓立等采用PCM+防腐檢測儀初步定位、孔中磁梯度儀精確探深，在超深金屬管道的探測中取得了良好的效果[2]。為了獲得地下深埋管道的準(zhǔn)確埋深信息，裴世建等分析了深埋電力拉管的磁場特性，利用孔中磁法并結(jié)合其他物探方法，精確探明了該電力拉管的埋深[3]。呂明利用孔中磁法對地下深埋金屬管道、含鐵磁材料的雨污水管道以及有孔可穿入強(qiáng)鐵磁棒的非金屬管道進(jìn)行探測，取得了一定的效果[4]。

在地質(zhì)、礦山及石油領(lǐng)域，地面磁測數(shù)據(jù)位場延拓方法得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]，成功解決了一些類如斷裂構(gòu)造等的重大地質(zhì)問題。在城市工程施工領(lǐng)域，對于地下深埋管線的精細(xì)探測，孔中磁測方法具有非破壞、操作簡單、探測精度高的優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。但是前人對地下深埋管線探測方法的研究和應(yīng)用僅能對該管線的埋深進(jìn)行準(zhǔn)確定位，無法獲取該管線的平面位置信息。為了從現(xiàn)有的孔中磁測數(shù)據(jù)中提取出管道的平面位置信息，本文將傳統(tǒng)磁測數(shù)據(jù)位場延拓向下延拓的基本理論[8-14]引申到孔中磁測數(shù)據(jù)水平延拓的過程，成功地獲取了地下深埋管線的平面位置信息，同時對地下管道的埋深判識也更加精細(xì)，為工程設(shè)計(jì)與施工解決了疑難問題。

2 孔中磁法位場延拓方法原理

2.1 基本原理

通常，當(dāng)鉆孔距離地下深埋金屬管道距離不大(根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)不大于2 m)時，孔中觀測到的原始磁測異常曲線W(z,x)在地下深埋管道深度附近會出現(xiàn)異常，該異常的形態(tài)受磁化方向的影響，呈現(xiàn)為一個“軸對稱曲線”或“點(diǎn)對稱曲線”或介于二者之間的不規(guī)則異常曲線。同時該曲線形態(tài)會受磁測位置與管道的距離影響，距離越大，曲線的寬度越寬、幅值越??；反之，寬度越窄、幅值越大。在理想情況下，當(dāng)觀測面穿過管道位置時，該異常的形態(tài)將會壓縮為一個“尖脈沖”[12]。

基于以上思想，本次研究嘗試將孔中實(shí)測的磁測異常曲線W(z,x)，向著地下深埋金屬管道的方向水平延拓一個距離Δx，從而獲得延拓后觀測面處的磁測異常曲線W′(z,x+Δx)，然后根據(jù)該延拓后觀測面處的磁測異常曲線W′(z,x+Δx)的是否接近“尖脈沖”，而決定繼續(xù)延拓或終止延拓。最終根據(jù)形成“尖脈沖”時的觀測面磁測異常曲線W′(z,x+Δx)的延拓距離Δx，判斷地下金屬管道與鉆孔的之間實(shí)際距離，示意見圖1。

圖1 孔中磁法位場延拓示意圖Fig.1 Schematic diagram of potential field extension of borehole magnetic method

2.2 頻率域位場延拓原理

假設(shè)地下深埋金屬管道位于X=x+Δx處，則鉆孔位置X=x觀測面處實(shí)測的磁測異常曲線為W(z,x)，則由外部的狄利克萊問題：

(1)

對其進(jìn)行關(guān)于變量z的傅里葉變換：

(2)

因此：

F[W′(z,x+Δx)]=F[W(z,x)]·e2πuΔx

(3)

式(3)即為孔中磁法在頻率域的位場延拓公式。其中，F(xiàn)[W′(z,x+Δx)]為延拓Δx距離處觀測面磁測異常的傅里葉變換值；F[W(z,x)]為鉆孔內(nèi)實(shí)測磁測異常的傅里葉變換值；e2πuΔx為延拓因子。

2.3 實(shí)現(xiàn)流程

孔中磁法頻率域位場延拓實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 孔中磁法頻率域位場延拓實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Flow chart of potential field extension in frequency domain of borehole magnetic method

3 工程案例

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)

在天津某無干擾的空地地表進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)：在地上放一段小鐵管，模擬地下深埋金屬管道，在距離小鐵管0.5 m的位置，布設(shè)一條測線，長度15 m，然后沿該測線按0.25 m間距觀測其磁測異常曲線，模擬地下深埋管道的磁測異常響應(yīng)特征，如圖3所示。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation experiment

對該模擬實(shí)驗(yàn)獲得磁測異常曲線進(jìn)行逐級位場延拓，觀察各級延拓后的磁測異常曲線，如圖4所示。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)原始磁測異常曲線及逐級延拓磁測異常曲線Fig.4 The original magnetic anomaly curve and the magnetic anomaly curve after successive continuation in simulation experiment

從圖4模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，根據(jù)原始磁測曲線，在5.0～8.3 m范圍內(nèi)，磁測曲線有明顯異常，對照無限長水平圓柱體的磁異常特征[10，11]，大致判斷小鐵管位于6.7 m位置；根據(jù)0.2 m、0.4 m、0.45 m、0.5 m、0.55 m逐級延拓后的磁測異常曲線，異常范圍逐步“變窄”，異常幅值逐步“變大”；當(dāng)延拓至0.5 m時，磁測異常曲線接近“尖脈沖”(由于采樣點(diǎn)距為0.25 m，無法得到理想“尖脈沖”)，故可判斷該小鐵管(模擬管道)的異常包絡(luò)中心距測線的距離為0.5 m，與實(shí)際小鐵管的位置相符，證明通過位場延拓技術(shù)判斷地下深埋管道與測線間的水平距離，方法可行、可靠。

3.2 天津?yàn)I海新區(qū)雨污分流改造項(xiàng)目深埋燃?xì)夤艿捞綔y

天津?yàn)I海新區(qū)雨污分流改造項(xiàng)目，擬沿津塘公路建設(shè)DN3 000 mm雨水主干管 3 400 m，采用盾構(gòu)施工。根據(jù)前期調(diào)查資料，在新河集團(tuán)門口位置有一條DN500中壓燃?xì)夤艿?，材質(zhì)為鋼，埋設(shè)方式為拉管，其平面位置和埋深不詳。該燃?xì)夤艿缹υ摴こ痰脑O(shè)計(jì)與施工有較大的影響，需要精確探明與線路相交處的燃?xì)夤艿榔矫婕奥裆钋闆r，見圖5。

圖5 工程示意圖Fig.5 Schematic diagram of this project

本次探測采用孔中磁法。在燃?xì)夤艿栏浇蛞汇@孔，將質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀探頭放在孔中，按照0.25 m點(diǎn)距采集磁測數(shù)據(jù)，形成原始磁測異常曲線。然后將原始磁測異常曲線進(jìn)行逐級位場延拓，可獲得各級延拓后的磁測異常曲線，見圖6。

圖6 工區(qū)原始磁測異常曲線及逐級延拓磁測異常曲線Fig.6 The original magnetic anomaly curve and the magnetic anomaly curve after successive continuation in work area

從圖6結(jié)果看，根據(jù)原始磁測異常曲線，在7.7～11.5 m范圍內(nèi)，磁測曲線有明顯異常，對照無限長水平圓柱體的磁異常特征[10，11]，大致判斷該燃?xì)夤艿乐行穆裆顬?.5 m。根據(jù)0.2 m、0.4 m、 0.5 m、0.55 m、0.6 m、0.65 m逐級延拓后的磁測異常曲線，異常范圍逐步“變窄”，異常幅值逐步“變大”;當(dāng)延拓至0.6 m時，磁測異常曲線接近“尖脈沖”(由于采樣點(diǎn)距為0.25 m，無法得到理想“尖脈沖”)，故可判斷該燃?xì)夤艿赖漠惓０j(luò)中心(近似為管道中心)距鉆孔水平距離為0.6 m。 此外，由于頻率域位場延拓在數(shù)值計(jì)算過程中存在固有的空間假頻現(xiàn)象，所以圖6中的磁測異常曲線背景段落會隨著延拓距離的增大，而出現(xiàn)較大的假頻干擾。

4 結(jié) 論

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過位場延拓技術(shù)去推斷磁異常體距測線的距離位置，推斷結(jié)果與磁異常體的實(shí)際位置相符，證明了該方法可行、可靠。

借助于天津?yàn)I海新區(qū)雨污分流改造項(xiàng)目，將本文介紹的孔中磁法位場延拓方法應(yīng)用于鋼材質(zhì)的深埋燃?xì)夤艿赖木?xì)探測中，成功從原始的磁測數(shù)據(jù)中提取到了該管道與鉆孔間的水平距離。再結(jié)合前期調(diào)查資料，推斷出了該燃?xì)夤艿赖钠矫嫖恢眯畔?，為深埋管線的探測解決了一項(xiàng)技術(shù)難題，同時為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)與施工提供了科學(xué)的依據(jù)。

但是從圖6中逐級延拓的磁測異常曲線看，該方法還存在延拓過程出現(xiàn)空間假頻的問題，需要后期采用正則化延拓技術(shù)優(yōu)化延拓算法，從而獲得穩(wěn)定的延拓后磁測異常曲線。