黎慕韓 沈飛飛 周 磊

(天津市測(cè)繪院有限公司, 天津 300381)

0 引言

近年來(lái),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(kāi)挖施工工藝因其施工速度快,對(duì)周邊環(huán)境影響小,能夠有效避開(kāi)道路、河流、居民區(qū),加之成本低等優(yōu)勢(shì),被越來(lái)越多的管線施工單位所采用[1-4]。通過(guò)這種方式埋設(shè)的管道在地下一般呈拋物線走勢(shì),最深處往往在10 m甚至20 m以上,如果當(dāng)時(shí)未有測(cè)繪現(xiàn)狀竣工資料,完全依賴后續(xù)管線探測(cè)來(lái)對(duì)管線進(jìn)行準(zhǔn)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(cè)儀,即使找到明顯點(diǎn)利用直連法探測(cè),一旦深度超過(guò)10 m,信號(hào)衰減將會(huì)非常嚴(yán)重,即使大致測(cè)出平面位置和深度,結(jié)果的可靠性也會(huì)較低[9]。而利用高頻電磁波法的探地雷達(dá)等設(shè)備,常常也會(huì)由于深度過(guò)大、管徑太小、地下介質(zhì)復(fù)雜等原因,形不成有效的回波[10-12]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),利用常規(guī)金屬管線探測(cè)儀,如PCM+等,先對(duì)超深的金屬管線進(jìn)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(lái)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(wú)鐵磁性物質(zhì)的土層中,其磁場(chǎng)強(qiáng)度理論上應(yīng)是均勻場(chǎng),而如果在其中有鐵磁性物質(zhì)存在時(shí),將會(huì)在其周圍分布有較強(qiáng)的磁場(chǎng),從而產(chǎn)生磁異常,且磁異常強(qiáng)度由近及遠(yuǎn)逐漸衰減[15-16]。由于金屬管道屬于強(qiáng)鐵磁性物質(zhì),在其周圍區(qū)域分布有較強(qiáng)的磁場(chǎng),因此,可以通過(guò)觀測(cè)其磁異常的變化,尤其是垂直分量Za的梯度值分布來(lái)判定金屬管線的平面位置及埋深。

通過(guò)鉆孔的手段將磁力梯度儀探頭下到鉆孔內(nèi),由上而下測(cè)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(wú)任何變化,而在接近金屬管道的深度位置,梯度值變化強(qiáng)烈,猶如一個(gè)“S”形。在稍微遠(yuǎn)離管道的鉆孔內(nèi),梯度值的變化幅度相應(yīng)減小,當(dāng)水平間距大于0.8 m時(shí),幾乎無(wú)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(shí)際探測(cè)中,在探測(cè)區(qū)域內(nèi)按一定的間隔布置若干個(gè)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(kāi)始以0.05 m的間隔依次往下測(cè)量各點(diǎn)的磁梯度值,到達(dá)孔底后再往上探測(cè)以作校對(duì)。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(cè)法對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行預(yù)定位。探測(cè)過(guò)程中,在目標(biāo)管道旁側(cè)鉆進(jìn)一條豎向通道,將接收機(jī)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(cè)量電磁波信號(hào)在垂直方向上的曲線變化,并對(duì)數(shù)據(jù)曲線成像進(jìn)行反演分析,找出目標(biāo)管道位置和埋深。因此,可以通過(guò)觀測(cè)其電磁異常的變化及分布來(lái)判定異常物的平面位置及埋深,從而確定探測(cè)區(qū)域是否有電力管線。豎向剖面法探測(cè)模型如圖2所示。

圖2 豎向剖面法探測(cè)模型

1.3 基于磁梯度和豎向剖面法的超深金屬管線探測(cè)新方法

本文提出的超深金屬管線探測(cè)新方法作業(yè)流程主要分為5步：

(1)基于設(shè)計(jì)資料尋找管線大概位置。

(2)基于常規(guī)地面探測(cè)制備進(jìn)行初步探測(cè),尋找信號(hào)相對(duì)強(qiáng)的地方作為剖面初始位置。

(3)確定打孔面探測(cè)距離。

(4)圍繞探測(cè)中心點(diǎn),左右以此打孔,獲取孔洞的磁梯度值。

(5)分析孔洞探測(cè)結(jié)果,重新調(diào)整探測(cè)區(qū)域,直到準(zhǔn)確探測(cè)到穩(wěn)定信號(hào)。

2 工程實(shí)驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)概況

某管道工程準(zhǔn)備以頂管方式埋設(shè)DN1200供水管線一條,設(shè)計(jì)管頂埋深12 m,橫穿路徑有一條DN400高壓金屬燃?xì)夤艿?通過(guò)查閱資料,以及利用常規(guī)金屬管線探測(cè)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(zhǔn)確探測(cè)出這條燃?xì)夤芫€,本次所使用的設(shè)備有PCM+管線探測(cè)儀、孔中磁梯度探測(cè)儀、豎向剖面法電磁感應(yīng)探測(cè)儀,以及100型鉆機(jī)一臺(tái)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(cè)新方法對(duì)該燃?xì)夤艿肋M(jìn)行精探,本次實(shí)驗(yàn)主要分為六個(gè)具體步驟。

(1)通過(guò)前期的管線初探,確定管線探測(cè)范圍。為有效保護(hù)既有管線并結(jié)合管線最可能的深度(10～15 m),鉆孔時(shí)采用特制塑料鉆頭在3～15 m嚴(yán)格采用水沖法成孔,即通過(guò)高壓水(水壓0.8 Mpa)的反復(fù)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(shí)驗(yàn)選取了2個(gè)斷面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(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(cè)。下完套管后將磁梯度儀的探頭放到PVC管內(nèi),依次往下測(cè)量各點(diǎn)的磁梯度值。

(4)分離式電磁感應(yīng)探測(cè).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(cè)量各點(diǎn)的電磁場(chǎng)梯度值。

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

(6)孔位及孔口標(biāo)高測(cè)量。所有測(cè)試工作完成后,對(duì)的所有鉆孔進(jìn)行孔位以及孔口標(biāo)高的測(cè)量,進(jìn)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(jìn)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(hào)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(gè)剖面鉆孔管道的出漏長(zhǎng)度和天線高數(shù)據(jù),計(jì)算兩個(gè)相鄰剖面的燃?xì)夤艿缆裨O(shè)深度,結(jié)果如表1所示。從結(jié)果中發(fā)現(xiàn),兩個(gè)剖面的管線探測(cè)深度具有很好的一致性,探測(cè)結(jié)果可以準(zhǔn)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(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)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(cè)方法,由于電磁信號(hào)衰減的影響,獲得的數(shù)據(jù)往往失真,甚至測(cè)量不到數(shù)據(jù)。而通過(guò)常規(guī)探測(cè)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(yàn)核對(duì)比,就可較為準(zhǔn)確地測(cè)量出超深金屬管線的位置和埋深。本研究提出的探測(cè)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(qiáng)的可操作性,具有一定的借鑒意義。