裴世建

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

西安地鐵16號線沙河灘車輛段位于西咸新區(qū)沙河灘村，擬建車輛段為現(xiàn)狀農(nóng)田和苗圃。車輛段東北側(cè)400 m范圍內(nèi)有1條修建于20世紀(jì)80年代的水源管，材質(zhì)為鋼筋混凝土管，內(nèi)徑1 200 mm，承插式橡膠圈接口，采用明挖方式敷設(shè)，管道頂覆土1～3 m之間，管道已經(jīng)帶壓運(yùn)行了近30年，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易爆管。由于該管道為自來水廠水源管，暫時(shí)無法搬遷，車輛段施工整理場地時(shí)要進(jìn)行原位保護(hù)，因此需要準(zhǔn)確探明該管道的位置及深度。管道產(chǎn)權(quán)單位提供資料與原勘察單位提供位置出入較大，最大相差近40 m，無法滿足設(shè)計(jì)保護(hù)要求，需重新進(jìn)行精確探測，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。管道與擬建車輛段情況見圖1。項(xiàng)目前期，也開展了地質(zhì)雷達(dá)和地震映像和面波[1，2]探測工作，均未探測到該管道。

圖1 管道與擬建車輛段關(guān)系示意圖Fig.1 Diagram of relationship between pipeline and proposed depot

2 方法試驗(yàn)

2.1 地球物理特征

通過現(xiàn)場踏勘，場地地表以耕植土為主，下部為細(xì)砂、粉砂，土壤比較干燥。收集當(dāng)?shù)赝惖貙游镄詤?shù)(表1)，地層電性參數(shù)差別較大，具備誘導(dǎo)偶極電磁感應(yīng)法[3-5]開展探測工作的條件。

表1 物探場地物性參數(shù)

2.2 誘導(dǎo)偶極電磁感應(yīng)法原理

在外電場的作用下帶正電的粒子和帶負(fù)電的粒子彼此分開，形成誘導(dǎo)偶極。誘導(dǎo)偶極電磁感應(yīng)法是通過兩電極向地下發(fā)射交流電，是兩電極之間形成交流磁場，通過研究該交流電磁場中不同介質(zhì)磁感應(yīng)強(qiáng)度來獲取目標(biāo)在場中的位置情況。在兩電極與大地形成的回路中，將目標(biāo)管道與周圍介質(zhì)視為并聯(lián)閉合電路，通過合適的發(fā)射頻率，使管道中產(chǎn)生的交流電流遠(yuǎn)大于周圍介質(zhì)中產(chǎn)生的電流強(qiáng)度，從而可從地面觀測到目標(biāo)管道產(chǎn)生的磁場異常。在交變電磁場中的介質(zhì)，其介電系數(shù)和導(dǎo)電率均視為復(fù)數(shù)形式，其值與σ、ω、μ和ε有關(guān)，在感應(yīng)場中，根據(jù)Maxwell微分方程可以推導(dǎo)出電磁場的波阻抗公式[1]為

(1)

式中，σ為介質(zhì)電導(dǎo)率(S/m);ε為介質(zhì)介電常數(shù)(F/m);μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率(H/m);ω為場源角頻率(rad/s);Z為介質(zhì)的電磁波波阻抗(g/cm·m/s)。

在無磁性介質(zhì)(忽略μ的影響)中，電磁感應(yīng)法探測地下管線時(shí)，一般要忽略位移電流[6-16]，即滿足σ?ωε條件(一般至少按2個(gè)數(shù)量級考慮)，若取管道周圍介質(zhì)電導(dǎo)率σ=0.01 S/m、介電常數(shù)εr=10，則f須小于2×105Hz。按照式(1)可計(jì)算充水混凝土管道交流阻抗小于周圍介質(zhì)阻抗，因此，在發(fā)射功率足夠的情況下，采用發(fā)射頻率小于200 kHz時(shí)，可進(jìn)行地下管線探測。

2.3 方法試驗(yàn)

方法試驗(yàn)的目的是為了確定最佳發(fā)射裝置、發(fā)射頻率，更好地突現(xiàn)管道異常，試驗(yàn)裝置[2]見圖2。電極AB與擬探測管道成小角度或近似平行布置，試驗(yàn)過程中，發(fā)射功率、接地條件不變，通過改變D(注：本裝置收發(fā)距D=發(fā)射、接收導(dǎo)線與AB連線間的距離)和發(fā)射頻率f，對比分析觀測剖面上磁場響應(yīng)強(qiáng)度，確定最佳發(fā)射裝置和發(fā)射頻率。

圖3和圖4分別為不同發(fā)射頻率和不同收發(fā)距地面磁場響應(yīng)對比曲線。從圖3和圖4可以看出，在滿足σ?ωε的條件下，理論上發(fā)射頻率越高，效果越好；但受發(fā)射功率限制，頻率越高，管道中交流損耗越大，地面接收到的磁場強(qiáng)度并不隨頻率的增加而增大。D越大，管道異常反映越明顯，但收發(fā)距過大，現(xiàn)場實(shí)施難度增加，因此在滿足分辨率的條件下選擇最小收發(fā)距。通過方法試驗(yàn)，本次探測工作收發(fā)距D確定為50 m，發(fā)射頻率f選擇8 kHz或33 kHz。

圖3 不同發(fā)射頻率地面磁場響應(yīng)對比曲線Fig.3 Comparison curves of ground magnetic field responses at different transmission frequencies

圖4 不同收發(fā)距地面磁場響應(yīng)對比曲線Fig.4 Comparison curve of ground magnetic field response at different transmit-receive distances

3 探測效果

本次探測工作需準(zhǔn)確探明車輛段400 m范圍內(nèi)管道位置，考慮在A、B電極附近存在干擾區(qū)，因此L(發(fā)射電極與接收電極間的距離)布置為500 m，A、B電極分別布置于測區(qū)50 m以外，入土深度為1.5～2.0 m，發(fā)射功率為10 W、發(fā)射頻率8 kHz、回路電流強(qiáng)度為27.8 mA。由于該探測方法可以連續(xù)追蹤，因此首先需在合適位置確定管道位置的布置，然后向兩側(cè)追蹤，每5 m去確定一次管道位置。本次初步確定管道位置的觀測剖面選擇在AB中點(diǎn)附近，觀測剖面長50 m，包含管道可能存在的范圍，發(fā)射裝置及觀測剖面布置見圖5。地面觀測時(shí)管線儀接收機(jī)不進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，按2.5 m間隔記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度，突變時(shí)加密觀測，剖面磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線見圖6。通過磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線分析，管道中心位置位于距剖面起點(diǎn)22.5 m處，根據(jù)曲線特征點(diǎn)[4，11]判斷管道中心深度為2.5 m(按壁厚0.1 m計(jì)算管頂埋深為1.8 m)。為確定探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，在觀測剖面確定的管道位置進(jìn)行人工開挖驗(yàn)證[12-16]，通過驗(yàn)證，得出管道中心位置偏差13 cm、管道頂埋深123 cm。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對后續(xù)追蹤點(diǎn)位深度進(jìn)行修正。

圖5 發(fā)射裝置及觀測剖面布置Fig.5 Layout of launching device and observation section

圖6 觀測剖面磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線Fig.6 Magnetic flux density curve of observation section

圖7 管道開挖驗(yàn)證照片F(xiàn)ig.7 Photos of pipeline excavation verification

4 結(jié) 論

通過本次探測實(shí)例證明，誘導(dǎo)偶極電磁感應(yīng)法可以很好地解決充水非金屬管道探測難題，與地質(zhì)雷達(dá)、地震映像等物探方法相比，其探測精度及效率優(yōu)勢更明顯，更可延伸用于地下暗河、地下水等低阻異常體方面的探測。

由于在交流電磁場下，當(dāng)?shù)叵鹿艿琅c周圍介質(zhì)差異不太大時(shí)，不能忽略管道與周圍介質(zhì)附近位移電流產(chǎn)生的磁場，因此，通過磁場強(qiáng)度曲線特征點(diǎn)來判斷管道深度時(shí)會(huì)有較大偏差，需通過較多的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。