利用豎直剖面法實現超深地下管道的精確定位

張永命，肖 順，韓 穎

(廣州市天馳測繪技術有限公司，廣東廣州510660)

一、概 述

地下管線探測技術服務作為一個行業，從20世紀90年代開始發展。到目前為止，地下管線探測已經涉及全國所有大、中城市及部分中小城市，在城市規劃、基礎建設、國家地理信息系統建設等領域發揮著越來越大的作用。

目前，地下管線探測的核心技術以電磁法探測為主。這主要是由于兩個方面的原因:一是我國早期地下管線除排水外絕大多數是金屬材質的;二是由于電磁法探測原理最好地適應了當時技術發展條件，較其他方法率先實現了應用儀器的輕便化、探測結果的靈敏化和精確化，以及設備生產的經濟化。但是傳統的電磁法地下管線探測設備，只對地下埋深3～5 m以內的金屬管線能夠有效定位和定深。隨著非開挖管線施工技術的廣泛應用，地下管線埋藏愈來愈深，超過十米甚至數十米埋深的長距離穿越管線越來越多地分布在全國各地。如何準確探測這些管線的位置及深度，為后續工程設計和施工提供準確的地下空間信息，逐漸成為探測技術盲區。

豎直剖面法探測技術是筆者所在單位在水平剖面法［1］基礎上獨立研發的專利技術，可以實現對超深金屬管線的精確定位定深。概括地講，豎直剖面法是指在地面上用水平剖面觀測法對目標管道進行預定位，然后在目標管道旁側鉆進一條豎直通道，采用分離式低頻電磁波探頭在通道里采集數據，并對數據曲線進行反演分析，求出目標管道位置和埋深，理論上豎直剖面法探測精度可達到0.02 h(h為目標管道距地面的中心埋深)。

二、豎直剖面法工作原理

豎直剖面法所測的信號是單根無限長線電流所產生的磁場信號，只是將平時在水平地面上測量磁場的水平分量，“旋轉”90°變成測量磁場的垂直分量，如圖1所示。當管道埋設很深時，在地面上所捕捉到電磁信號相當平緩和微弱(如圖1灰線所示)。首先采用水平剖面法初步推斷目標管道的位置(S0)和埋深(H0);然后在距離預判目標管道中心S0約0.2H0位置進行鉆探(0.15H0為誤差極限，故在0.2H0鉆探是安全的)，鉆探深度 1.2～1.3H0以保證觀測到完整的豎直剖面;最后利用筆者所在單位專利探頭，進行豎直方向信號檢測，探頭的峰值位置即目標管道的中心埋深H。

圖1 超深管道探測原理圖

設豎直探頭讀取目標管道磁場的垂直分量Hz，其公式如下

由式(1)推出:當y=H時，Hz達到最大值Hzmax=Ki/L;當y=H±L時，Hz=0.5Hzmax。由此可以推算出鉆孔位距離目標管道的水平距離L(50%法)。

三、應用實例

1.豎直剖面法成功探測埋深超過20 m的超深穿越管

目標管道位于珠海市珠海大道邊上的高壓天然氣管道，管徑660 mm，材質為鋼。管道埋設時為了避開村莊及河涌的影響，采用長距離頂管穿越法施工。經筆者所在單位采用水平剖面法初測及豎直剖面法精測，頂管最深處距離地面為27.1 m(誤差0.6 m)。水平剖面法采用單端長距離接地法激發，640 Hz單天線接收;豎直剖面法采用單端長距離接地法激發(如圖3所示)，8 kHz豎直孔中探頭接收。下面列舉Ri115探測點的位置圖及剖面觀測曲線圖，以作佐證(PM8為水平剖面法編號，ZK8為豎直剖面法編號)，如圖2～圖5所示。

圖2 Ri115位置圖(管頂埋深23.60 m)

圖3 單端激發工作模式布置圖

圖4 PM8“水平剖面法”觀測曲線圖

圖5 ZK8“豎直剖面法”觀測曲線圖

2.豎直剖面法成功探測城市中心去路口下方穿越管

目標管道位于中山市南朗鎮某十字路口下方，為高壓天然氣管道，管徑660 mm，材質為鋼，頂管穿越施工。目標管道埋藏深度約6～10 m，管道上方布滿了各類淺部管線，如圖6所示。為了準確探測有淺部干擾的超深地下管線，有效避開淺部干擾，對目標管道進行最有效激發是關鍵。通過方法試驗，筆者最后采取雙端連接方式，并在導線穿過淺部干擾管線位置時，將導線架空，以盡量避免對淺部管線的干擾，如圖7所示。水平剖面法采用640 Hz頻率，豎直剖面法采用8 kHz頻率。實測曲線樣例如圖8～圖9所示。

圖6 目標管道分布圖(紫色粗線為目標管道)

圖7 雙端連接工作模式布置圖

圖8 PM6水平剖面法觀測曲線圖

圖9 ZK3“豎直剖面法”觀測曲線圖

四、結束語

1)在地表無旁側干擾情況下，水平剖面法可以進行初步定位，但是深度誤差較大。如PM8反演深度為17.7 m，經豎直剖面法精確測定為23.9 m。

2)豎直剖面法探測的磁場信號很“純凈”，可以與理論剖面曲線很好地吻合(如圖5所示)。

3)豎直剖面法可以有效避開淺部管線干擾，而且目標管道埋藏越深，效果越好(如圖9所示)。

4)豎直剖面法探測精度與目標管道的埋深H無關，與鉆孔位置與目標管線的平距L相關，通常L=0.2H，故豎直剖面法的定位定深精度能比水平剖面法提高5倍。

5)結合水平剖面法和豎直剖面法的精確探測模式，特別適用于輸油、輸氣管道頂管穿越方式過河、過江及交通繁華路口段的精準探測，在水面以下同樣適用。

［1］張永命，肖順.剖面觀測法在超深管線探測中的應用［J］.城市勘測，2011(S0).

［2］周鳳林，洪立波.城市地下管線探測技術手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2001.

［3］CJJ 61—2003城市地下管線探測技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［4］姜文青，王大成.珠海大道 HDD天然氣管道的探測［J］.城市勘測，2010(S1).