磁梯度法在深埋非開挖金屬管線精測中的應用

位偉

摘 要：本文通過建立正演模型，研究磁梯度理論曲線的變化特種，并將工程實例中的實測曲線與理論曲線進行對比，鉆孔驗證，證明磁梯度法精測深埋金屬管線具有良好的應用效果。

關鍵詞：磁梯度；正演模型；精測；深埋非開挖金屬管線

1 引言

隨著城市化進程的加快，非開挖施工工藝已廣泛地應用于各類管道敷設工程中，由于非開挖管線大都埋藏深，而管線探測儀、導向儀、探地雷達等儀器由于自身的局限性（ 探測深度淺、易受電磁干擾、場地地形、地質條件和可通達的條件差） 難以測定其準確位置，有效探測深度很淺，增加了后期交叉管線施工和工程建設的安全風險。

近些年，大型雨污水、電力隧道、能源管溝等頂管工程以及城市快速路、高架、橋梁等樁基施設工程越來越多，此類工程建設對現有地下非開挖管線精確要求高，且施工前期無法對非開挖深埋管線進行開挖驗證。為避免因管線位置不準，在施工時修改設計，造成人、財、物浪費，延誤工期，同時為施工時管線保護提供對象和依據，避免盲目施工帶來的管線破損而引起的經濟損失與社會影響，獲取擬建工程建設區(qū)域內非開挖施工管線的準確位置信息，最大限度避免管線切改，消除潛在的事故隱患，通過大量工程實踐，筆者嘗試采用井中磁梯度探測法來對非開挖金屬管線進行精確定位，來解決一些其他探測手段不能有效解決的實際問題。

2 磁梯度法針對深埋金屬管線探測方法原理

一般在均勻無鐵磁性物質的土層中，其磁場強度理論上為均勻場，而如果在其中有鐵磁性物質存在時，將會在其周圍分布有較強的磁場，從而產生磁異常，且磁異常強度由近及遠逐漸衰減。

在正演模型研究中，可以將局部區(qū)域內的水平金屬管道簡化為一個無限長水平圓柱體，在三維空間內，無限長水平圓柱體又相當于二度體，磁性體沿Y 軸方向無限延長，磁位沿Y 軸方向無變化。因此無限長水平圓柱體在空間內各磁場分量（垂直分量Za 、水平分量Ha 、磁場強度ΔT） 的表達式分別為：

[Za]=[2Ms[（Z-R）2+x2]2]×{[[（Z-R）2+x2]]}sin[is]+2（[Z-R]）xcos[is]

[Ha]=[2Ms[（Z-R）2+x2]2]×{[[（Z-R）2+x2]]}cos[is]-2（[Z-R]）xsin[is]

ΔT = Za ·sinis + Ha ·cosis ·cosA

式中Ms 為有效磁矩，Ms = J s ·S ；J s 為有效磁化強度； S 為水平圓柱體的截面積； R 為水平圓柱體的中心埋深； is 為有效磁化傾角； A 為磁偏角。

由Za和Ha表達式可以得到管道中心埋深分別為R=3m和R=10m水平金屬管道在地面的理論曲線，如圖1。

對比圖1中不同埋深的Za 和Ha 理論曲線，當管道埋深較深時， Za 、Ha 曲線幅值變化非常平緩， 基本無法識別Za 曲線的峰值點或Ha 曲線的零值點，因此利用地下管線儀探測埋深較深的管道是不大可行的，但是磁梯度曲線反映突出基本不受埋深影響，探測精度高。

通過鉆孔的手段將磁梯度儀下到探測鉆孔內，由上而下測量水平金屬管道在垂直方向上的Za曲線變化，可以得到較理想的探測效果。在接近金屬管道的探測鉆孔內，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。在稍微遠離管道的探測鉆孔內，梯度值的變化幅度相應減小，當水平間距大于0.8m時，幾乎無任何變化了。

磁梯度探測，前期應對存在的深埋管線進行大致定位，需在擬建管道與現有深埋管線平面相交處針對性布置鉆孔，利用磁探棒探測鉆孔不同深度對應的磁梯度值，通過“零值法”來判斷已有管線埋深的方法。探測鉆孔距離管道距離超過0.8m的話磁梯度峰值衰減很快，所以前期最好能大致確定管道平面位置，再用鉆機在管道附近打探測鉆孔。否則需要打鉆的探測鉆孔數量較多，需以一定的間距垂直管道走向布置若干個鉆孔。

利用磁梯度法探測深埋金屬管線精度很高，通常誤差在10cm以內，對于頂管和樁基等工程有重要指導意義。

3 磁梯度精測工程案例

某排水系統工程泵站出水管建成后需對現有防汛墻拆除新建，范圍內有一路Φ325非開挖，搜集的資料顯示埋深約20m，管中心標高-15.4m，并且在穿越河道時標高基本走直，但該數據僅作參考，是否準確，尚需驗證。擬改建防汛墻基礎底標高-14m，與現狀燃氣管十字相交。傳統的電磁感應和地質雷達等管線探測方法無法探明，為了準確探測燃氣管線的位置，筆者采用了鉆孔磁梯度對現狀非開挖燃氣管進行驗證性探測，以確保管線安全。

本次探測中采用北京地質儀器廠生產的CCT-1型磁梯度儀，方案布設5只鉆孔（RZK1～RZK5），鉆孔間距0.5m（需避開已有防汛擋墻），然后對5只鉆孔分別進行磁梯度探測，通過測量鉆孔中由上而下垂直梯度值變化，來判別燃氣管線的埋深。實際探測中RZK3孔處磁異常最強烈，離現狀管道最近，磁梯度曲線如圖3。

由上述曲線可以判斷存在2處磁異常，第一段磁異常通過資料比對判斷為現狀防汛墻的底端位置埋深約9.8m，標高為-5m；第二段磁異常根據“零值法”判斷燃氣管道中心埋深為19.8m，通過計算燃氣管中心絕對標高為-15.3m，與權屬單位提供竣工資料基本一致。水平位置通過異常曲線判斷在RZK2～RZK3之間。本次磁梯度探測的深度誤差在±10cm，遠遠高于行業(yè)標準中埋深限差0.15h（h為管道中心埋深） 。在保證一定安全距離后，改建防汛墻順利施工。

4 結語

利用磁梯度探測的方法，可以在關鍵節(jié)點處探測埋深較深的非開挖金屬管線，探測精度高。擬建頂管或者樁基工程遇到類似問題都可以將此方法加以推廣和利用。另外磁梯度法與觸探法、孔內測斜法相結合，能進一步提高金屬管線探測精度，在精密地下工程中有很強的使用意義。

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