利用“豎直剖面法”實現超深地下管線的精確定位

張永命，肖順，陳銳杰

(廣州市天馳測繪技術有限公司，廣東廣州 510660)

1 引言

地下管線探測技術服務作為一個行業，從上個世紀90年代開始發展，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越來越大的作用。

目前，地下管線探測的核心技術仍然以電磁法探測為主。這主要是基于兩個方面的原因:一方面是我國早期地下管線除排水外絕大多數是金屬材質的;另一方面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［1～7］。但是傳統的電磁法地下管線探測設備，只對地下埋深 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，地下管線埋設愈來愈深，超過 10 m甚至數 10 m埋深的長距離穿越管線越來越多地分布在全國各地［8，9］。如何準確探測此類管線的位置及深度，為后續工程設計和施工提供準確可靠的地下空間信息，逐漸凸顯為探測技術盲區。

“豎直剖面法”探測技術是我公司在“水平剖面法”［10～12］基礎上獨立研發的專利技術，可以實現對超深金屬管線進行精確定位定深。概括地講，“豎直剖面法”就是在地面上用“水平剖面觀測法”對目標管道進行預定位，再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±0.02h(h為目標管道距地面的中心埋深，h＞10 m時)。

2 “豎直剖面法”工作原理

“豎直剖面法”所測的信號也是單根無限長線電流所產生的電磁場信號，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藍線所示)。先采用“水平剖面法”初步推斷目標管道的位置(S0)和埋深(H0)。然后在距預判目標管道中心 S0約0.2H0位置進行鉆探(0.10H0為誤差極限，故在0.20H0鉆探是安全的)，鉆探深度=1.2H0－1.3H0，以保證觀測到完整的豎直剖面。使用我公司專利探頭，在豎直方向對垂直分量進行連續檢測，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

豎直探頭讀取目標管道磁場的垂直分量Hz，其公式如下:

式中，Hz—電磁場的垂直分量;

L—鉆孔與目標管道的水平距離;

H—管道深度;

y—探頭深度;

Ki—與發射電流有關，當電流穩定時Ki為常量。

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與目標管道的水平距離L(50%法)。

3 應用實例

3.1 成功探測埋深超過20 m的超深穿越管

目標管道為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。經我公司采用“水平剖面法”初測及“豎直剖面法”精測，計算出該頂管最深處距離地面為 27.1 m(誤差±0.54 m)。“水平剖面法”采用單端長距離接地法激發(如圖2所示)，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R15探測點的位置圖(如圖2)及剖面觀測曲線圖(如圖4、圖5所示)，以作佐證。(PM8為“水平剖面法”測線編號，ZK8為“豎直剖面法”探測點編號。)

圖2 單端激發工作模式布置圖

圖3 R15位置圖(管頂埋深23.60 m)

圖4 PM8“水平剖面法”觀測曲線圖(管中x=6.1 m，h=17.7 m)

圖5 ZK8“豎直剖面法”觀測曲線圖(管中H=23.9 m，L=5.1 m)

實踐表明:利用“水平剖面法”測定的水平位置(圖4中x=6.1 m)精度可以達到規范要求(△x=±0.1H)，而“水平剖面法”測定的埋深(圖 4中h=17.7 m，圖5中H=23.9 m)與“豎直剖面法”精測的深度相去甚遠。

3.2 成功探測城市中心區路口下方穿越管

目標管道位于中山市南朗鎮某十字路口下方，高壓天然氣管道，管徑 660 mm，材質為鋼，頂管穿越施工。目標管道埋設深度約 6 m～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，我們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，以盡量減小對淺部管線的干擾，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。

從圖8可以看出，在地表淺部存在其他管線時，用“水平剖面觀測法”容易受到淺部管線干擾，頻率越高，受干擾程度越大(圖中紅線為 8 kHz，曲線明顯變形)。從圖9可以看出，“豎直剖面法”在近地面處。(0 m～3 m)同樣受到淺部管線干擾，但越往深處，干擾越來越小到忽略不計。通過圖9的探測結果，反推圖8的探測結果，可見圖8的平面位置和埋深均誤差較大。故在地面復雜條件下探測超深管線，“豎直剖面法”體現出獨到的技術優勢。

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(管中x=8.6 m，h=3.2 m)

圖9 ZK3“豎直剖面法”觀測曲線圖(管中H=5.4 m，L=2.0 m)

4 結語

(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(見圖5)。

(3)“豎直剖面法”可以有效避開淺部管線干擾，而且目標管道埋設越深，效果越好(見圖9)。

(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倍以上。

(5)“水平剖面法”和“豎直剖面法”相結合的精確探測模式，特別適用于給水、輸油、輸氣等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］《城市地下管線探測技術手冊》編寫委員會.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.

［2］CJJ61－2003.城市地下管線探測技術規程［S］.中國建筑工業出版社，2003.

［3］劉忠新，范士杰.地下管線探測技術的論述及應用［J］.城市勘測，2004(4):23～25.

［4］郭根會.磁法在地下管線探測中的應用［J］.城市勘測，2011(S1):109～110.

［5］徐濤，許順芳.多偏移距地震映像法應用技術研究［J］.工程地球物理學報，2009，6(3):273－276.

［6］Mercer，John E.Locating systems for horizontal directional drilling－Part 1［J］.No－Dig Engineering，1998，4(5):2 ～4.

［7］Mercer，John E.Locating systems for horizontal directional drilling－Part 2［J］.No－Dig Engineering，1999，5(1):6 ～11.

［8］張漢春.非開挖特深管線的探測技術分析及展望［J］.地球物理學進展，2010，25(3):1092 ～1097.

［9］張漢春，莫國軍.特深地下管線的電磁場特征分析及探測研究［J］.地球物理學進展，2006，21(4):1314～1322.

［10］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(S1):125～127.

［11］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(S2):221～223.

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