基于管線探測法與井中磁梯度法的地下超深金屬管線精確定位

楊 超

(上海元易勘測設計有限公司，上海 201203)

1 引 言

地下管線是城市生命線，準確查明已有地下管線的情況，是城市建設、設計不可或缺的基本資料，否則設計的各種地下結構將因管線的存在而無法實施，或臨時遷改管線影響工期，或造成管線損壞產生事故[1]，因此，查明地下管線是城市地下工程建設的重要基礎問題之一。

地下管線的埋設方法主要分為兩種：一種為開挖直埋式，埋深較淺；另一種為非開挖穿越式，一般埋設較深，其縱剖面呈中間深兩邊淺，中間區(qū)深度可達10 m以深。隨著非開挖管線施工技術的廣泛應用，地下管道埋設深度越來越大，超深管道的探測逐漸成為城市物探的一個熱點和難點[2]。

針對超深管線的探查，一方面要確定其平面位置，另一方面要確定其深度。由于其埋深大，管徑相對較小(DN324)，探測對象的幾何尺寸與其埋藏深度之比遠小于1/10[3]，因此，常規(guī)地面物探方法集體失效。用頻率域電磁波峰法難以找到極大值、特征點位置[1,4]，需進行全剖面探測并反演[1,2,4,5]；用磁梯度法探測，無需施加信號，可精確探測深度信息，誤差在±20 cm以內，這是任何其他物探手段所難以企及的[6]，但需要知道初步平面位置。

基于此，本文針對不同方法的優(yōu)缺點，提出了剖面擬合反演與磁梯度法組合探測地下超深金屬管線的探測思路。

2 方法原理及特點

2.1 頻率域剖面反演法

線電流沿地下金屬管道(金屬管線)流動，在地面形成一定的磁場，通過觀測該磁場形態(tài)可判斷地下管線的位置和深度[1]。

單條地下管線時，近似于線電流，垂直管線走向的剖面上觀測到的磁場水平分量Hx為：

(1)

式(1)中，Hx為磁場水平分量，單位：nT；x為觀測點距管線水平距離，單位：m；h為管線深度，單位：m；i為電流強度，單位：A。

Hx為磁場水平分量，在某一點x處，電流i強度不變，隨深度h的加大，Hx減小。在管線正上方，Hx與h成反比。理論曲線表明，地下管線深度愈大，在地面接收到的電磁場信號就越弱，其磁場水平分量的弦寬就越大，即異常峰值越平緩(圖1)，因此，實際探測中，應直接觀測基本場Hx，依據曲線總體趨勢進行擬合反演，確定管線中心位置，獲得深度信息[4]。

圖1 不同深度管線理論電磁場強度曲線Fig.1 The theoretical electromagnetic field strength curves of pipelines at different depths

2.2 井中磁梯度法

磁梯度法是根據一定單位距離內地磁場強度的變化來對地下管線進行測量的一種方法。一般在均勻無磁性物質的土層中，其磁場強度理論上為地球磁場，或稱為背景磁場，而如果在其中有鐵磁性物質存在時，將會在其周圍產生感應磁場，從而產生磁異常。

根據徑向梯度公式[7](2)可知：磁梯度與形狀系數n，距離r密切相關，磁梯度值隨距離r的增加而衰減，當探頭與待測目標水平間距大于1.2 m 時，幾乎無任何變化了(圖2)，因此規(guī)范要求，測試孔與待測目標間距宜小于1 m[8]。

(2)

式(2)中，Tr其為徑向梯度，單位：nT/m；T為磁場值，單位：nT；n為與磁性體形狀有關的參數，無量綱(球體n=3，水平圓柱體n=2等)；r為觀測點到場源的距離，單位：m；A為與磁性體的磁性、幾何尺寸以及磁化方向有關的常數，無量綱。

3 測線布置及數據采集

3.1 頻率域剖面反演法

1)探測位置

根據現場實際情況及收集資料分析，選擇河道東側進行頻率域剖面探測(位置見圖3所示)，剖面位置盡量避開有干擾的地段，垂直于目標管道走向布置，長度大于管線深度的2倍[4]。

2)數據采集

采用PCMx-V3大功率管線儀，供電1 A，采集磁場水平分量Hx，測點間距0.2 m，測線長16 m，逐點觀測磁場值并記錄，保持接收機增益不變，數據不溢出，形成完整曲線剖面。

3.2 井中磁梯度法

1)探測位置

根據大功率結果選擇于綠化帶內及河道內進行磁梯度探測(位置見圖3所示)。

圖3 電磁法剖面測線及磁梯度孔位置Fig.3 The location map of electromagnetic section survey line and magnetic gradient hole

2)數據采集

采用廊坊興爾XEGT-1磁梯度儀，根據大功率成果位置布置好鉆孔，采用人工水沖法，成孔后將PVC(PVC，Polyvinyl Chloride)管下至孔中，隨即將磁力梯度儀的探頭放到PVC管內，從孔底部開始連續(xù)拉動線纜，以0.1 m的間隔依次向上記錄各點的磁梯度值，到達孔頂后再往下探測以做校對。

由于是金屬管道(DN324)，人工水沖鉆PE鉆頭不會對金屬管道產生破壞，如果鉆頭正好鉆到管道上方，既確定了管道的平面位置，又得到了管道的垂直埋深。

4 探測效果分析

4.1 頻率域剖面反演法成果分析

圖4是利用大功率管線儀單端連接陰極保護樁激發(fā)信號時記錄的Hx(磁場水平分量)曲線。由于地下管線埋深大，在地面接收到的磁場水平分量異常峰值平緩，至少3 m范圍內無法確定管線中心位置。

對圖4實測磁場水平分量Hx剖面，利用線電流產生的空間磁場理論模型(式1)，逐步改變模型參數，使理論曲線不斷趨近實測曲線，實現擬合反演過程[1,4,9,10](圖5)。實測曲線與理論曲線“一致性”較好，反應管道的平面位置在剖面起點4.8 m處，中心深度10.55 m。

圖5 對實測磁場水平分量Hx曲線的擬合反演Fig.5 Fitting inversion of the measured Hx of magnetic field

4.2 磁梯度探測成果分析

分析剖面反演結果，在擬合反演的管道中心位置附近進行磁梯度探測，并依據現場情況調整后最終布置了YHK01、YHK02、YHK03等10個磁梯度孔，設計孔深15 m(圖3)。

孔號YHK07、YHK03、K02分別于11.4 m、11.3 m、11.8 m鉆遇管道，磁梯度曲線見圖6，YHK04位于YHK03北側，相距0.5 m，鉆至15.5 m，曲線完整，管道異常位于11.41 m，根據磁梯度探測理論，地層與管道界面處會發(fā)生磁場強烈變化，從而產生極值變化界面，據此推測管道埋深位置。

從圖6可以看出，在接近金屬管道的鉆孔(YHK07、YHK03、K02、YHK04)內，Za梯度值隨深度的變化非常明顯，在上、下兩部分，梯度值幾乎無任何變化，而在接近金屬管道的深度位置，梯度值變化強烈，猶如一個“S”型(YHK04)。在稍微遠離管道的鉆孔內，梯度值的變化幅度相應減小，當水平間距大于0.9 m以后，梯度值較為平緩，不易區(qū)分，甚至無任何變化(YHK06、YHK02、K03、K01)。

4.3 剖面反演與磁梯度綜合分析

從圖4、圖5可以看出，由于地下管線埋深大，在地面接收到的磁場水平分量至少有3 m范圍的異常峰值平緩區(qū)，現場根據極大值等特征點法無法確定管道中心位置；而完整的曲線剖面有利于發(fā)現管線異常，并可根據曲線的圓滑、對稱來判斷是否受到外界干擾；結合線電流產生的空間磁場理論模型(式1)，實現擬合反演，確定管道的平面位置在剖面起點4.8 m處，中心深度10.55 m。據此設計磁梯度孔的位置和深度，可以高精度的得到管道的空間位置(圖7)。

圖6 地下DN324管道實測磁梯度曲線Fig.6 The actual curve of magnetic gradient

圖7 地下DN324管道分布Fig.7 The distribution map of underground pipeline

5 結 論

1)地下管線埋深大，在地面接收到的磁場水平分量至少有3 m范圍的異常峰值平緩區(qū)，現場根據極大值等特征點法無法確定管道中心位置；而完整的曲線剖面有利于發(fā)現管線異常，結合線電流產生的空間磁場理論模型，實現擬合反演，結果相對可靠準確。

2)依據擬合反演的結果設計孔位和深度，進行磁梯度探測，可減少盲目性，精確獲得管道空間位置信息。

3)本次探測過程中，采用了地表間接的物探(剖面反演)方法，也采用了相對直接的探測(孔中磁梯度)方法，結果證明兩者的結論相當一致，孔中磁梯度結果很好地驗證了剖面反演的物探成果。