超深金屬管線探測技術(shù)研究

黎慕韓 沈飛飛 周 磊

(天津市測繪院有限公司, 天津 300381)

0 引言

近年來,隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,市政管線的埋設(shè)方法日新月異。非開挖施工工藝因其施工速度快,對周邊環(huán)境影響小,能夠有效避開道路、河流、居民區(qū),加之成本低等優(yōu)勢,被越來越多的管線施工單位所采用[1-4]。通過這種方式埋設(shè)的管道在地下一般呈拋物線走勢,最深處往往在10 m甚至20 m以上,如果當時未有測繪現(xiàn)狀竣工資料,完全依賴后續(xù)管線探測來對管線進行準確的定位、定深,是比較困難的[5-8]。

常規(guī)低頻電磁感應(yīng)法,如里奇、雷迪等金屬管線探測儀,即使找到明顯點利用直連法探測,一旦深度超過10 m,信號衰減將會非常嚴重,即使大致測出平面位置和深度,結(jié)果的可靠性也會較低[9]。而利用高頻電磁波法的探地雷達等設(shè)備,常常也會由于深度過大、管徑太小、地下介質(zhì)復雜等原因,形不成有效的回波[10-12]。通過研究發(fā)現(xiàn),利用常規(guī)金屬管線探測儀,如PCM+等,先對超深的金屬管線進行大致定位和定深,然后鉆孔,采用孔中磁梯度法和電磁感應(yīng)豎向剖面法兩種手段相結(jié)合逐漸逼近管線的方法來查清管線的位置及埋深[13-14]。

1 基本原理

1.1 磁梯度法

一般在均勻無鐵磁性物質(zhì)的土層中,其磁場強度理論上應(yīng)是均勻場,而如果在其中有鐵磁性物質(zhì)存在時,將會在其周圍分布有較強的磁場,從而產(chǎn)生磁異常,且磁異常強度由近及遠逐漸衰減[15-16]。由于金屬管道屬于強鐵磁性物質(zhì),在其周圍區(qū)域分布有較強的磁場,因此,可以通過觀測其磁異常的變化,尤其是垂直分量Za的梯度值分布來判定金屬管線的平面位置及埋深。

通過鉆孔的手段將磁力梯度儀探頭下到鉆孔內(nèi),由上而下測量水平金屬管道在垂直方向上的Za曲線變化,可以得到較理想的效果。圖1為水平金屬管道在垂直剖面上的Za梯度值的理論變化曲線。

由圖1可知，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”形。在稍微遠離管道的鉆孔內(nèi),梯度值的變化幅度相應(yīng)減小,當水平間距大于0.8 m時,幾乎無任何變化。

圖1 金屬管道在垂直剖面上的Za梯度值理論曲線

實際探測中,在探測區(qū)域內(nèi)按一定的間隔布置若干個鉆孔,成孔后將空心塑料管下至孔中,隨即將磁力梯度儀的探頭放到塑料管內(nèi),從孔頂開始以0.05 m的間隔依次往下測量各點的磁梯度值,到達孔底后再往上探測以作校對。根據(jù)磁梯度值的變化可以明確地判斷金屬管道的埋深及平面位置。

1.2 豎向剖面法

概括地講,豎向剖面法就是在地面上用水平剖面觀測法對目標管道進行預定位。探測過程中,在目標管道旁側(cè)鉆進一條豎向通道,將接收機與低頻電磁波探頭分離,然后將電纜連接的探頭在通道里采集數(shù)據(jù),自上而下測量電磁波信號在垂直方向上的曲線變化,并對數(shù)據(jù)曲線成像進行反演分析,找出目標管道位置和埋深。因此,可以通過觀測其電磁異常的變化及分布來判定異常物的平面位置及埋深,從而確定探測區(qū)域是否有電力管線。豎向剖面法探測模型如圖2所示。

圖2 豎向剖面法探測模型

1.3 基于磁梯度和豎向剖面法的超深金屬管線探測新方法

本文提出的超深金屬管線探測新方法作業(yè)流程主要分為5步：

(1)基于設(shè)計資料尋找管線大概位置。

(2)基于常規(guī)地面探測制備進行初步探測,尋找信號相對強的地方作為剖面初始位置。

(3)確定打孔面探測距離。

(4)圍繞探測中心點,左右以此打孔,獲取孔洞的磁梯度值。

(5)分析孔洞探測結(jié)果,重新調(diào)整探測區(qū)域,直到準確探測到穩(wěn)定信號。

2 工程實驗分析

2.1 試驗概況

某管道工程準備以頂管方式埋設(shè)DN1200供水管線一條,設(shè)計管頂埋深12 m,橫穿路徑有一條DN400高壓金屬燃氣管道,通過查閱資料,以及利用常規(guī)金屬管線探測儀已找到其大致位置及埋深(8 m左右),但為了施工安全,現(xiàn)需要準確探測出這條燃氣管線,本次所使用的設(shè)備有PCM+管線探測儀、孔中磁梯度探測儀、豎向剖面法電磁感應(yīng)探測儀,以及100型鉆機一臺用于鉆孔。

2.2 工程流程

采用基于磁梯度和豎向剖面法的超深金屬管線探測新方法對該燃氣管道進行精探,本次實驗主要分為六個具體步驟。

(1)通過前期的管線初探,確定管線探測范圍。為有效保護既有管線并結(jié)合管線最可能的深度(10～15 m),鉆孔時采用特制塑料鉆頭在3～15 m嚴格采用水沖法成孔,即通過高壓水(水壓0.8 Mpa)的反復沖孔而成,這樣充分保證管道及其外包防腐層的安全。本次實驗選取了2個斷面進行實驗。

(2)在打孔位置下套管。鉆孔鉆好后,將Φ50的PVC管下至孔中,管底封閉以防水。

(3)孔中磁體度探測。下完套管后將磁梯度儀的探頭放到PVC管內(nèi),依次往下測量各點的磁梯度值。

(4)分離式電磁感應(yīng)探測.下完套管后將電磁感應(yīng)儀的探頭放到PVC管內(nèi),依次往下測量各點的電磁場梯度值。

(5)采用以上方法完成其他各孔的探測。根據(jù)完成各孔的磁梯度值和電磁感應(yīng)信號的變化情況,綜合判斷探測斷面管道的埋深及平面位置。

(6)孔位及孔口標高測量。所有測試工作完成后,對的所有鉆孔進行孔位以及孔口標高的測量,進而獲取管道精確的平面位置和高程。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用孔中磁梯度法進行數(shù)據(jù)采集和后處理,剖面1和剖面2的磁梯度值曲線分別如圖3和圖4所示。磁梯度信號穩(wěn)定,呈現(xiàn)出較好的波浪曲線。

圖3 剖面1磁梯度值曲線圖

圖4 剖面2磁梯度值曲線圖

分別結(jié)合兩個剖面鉆孔管道的出漏長度和天線高數(shù)據(jù),計算兩個相鄰剖面的燃氣管道埋設(shè)深度,結(jié)果如表1所示。從結(jié)果中發(fā)現(xiàn),兩個剖面的管線探測深度具有很好的一致性,探測結(jié)果可以準確獲取管道的埋深,滿足規(guī)范和施工要求。

表1 管道埋深探測結(jié)果

3 結(jié)束語

對于超深的金屬管線,單純采用常規(guī)電磁感應(yīng)等管線探測方法,由于電磁信號衰減的影響,獲得的數(shù)據(jù)往往失真,甚至測量不到數(shù)據(jù)。而通過常規(guī)探測方法大致定位,再利用磁梯度法和豎向剖面法獲取數(shù)據(jù),相互驗核對比,就可較為準確地測量出超深金屬管線的位置和埋深。本研究提出的探測方法和工作流程具有較高的精度和可靠性,在工程應(yīng)用中具有較強的可操作性,具有一定的借鑒意義。