張 鑫 馬文甲 薄克明 彭記寺 金兆波

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0 引言

穿越管段往往都是超長(zhǎng)（＞300m）和超深（＞9m）的管線。雖然物探技術(shù)在工程勘察方面取得到了極大的進(jìn)步，但非常規(guī)開(kāi)挖的超長(zhǎng)超深管線的精確定位和測(cè)深依然是難題，值得進(jìn)一步研究。

1 電磁法探測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)

電磁法是目前探測(cè)地下管線最有效、最靈活，也是最經(jīng)濟(jì)的物探手段。電磁法探測(cè)埋地管線主要基于經(jīng)典麥克斯韋電磁場(chǎng)理論和電磁感應(yīng)原理，以地下金屬管線與其周圍介質(zhì)的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性的差異為主要基礎(chǔ)，對(duì)電磁場(chǎng)空間分布特點(diǎn)進(jìn)行研究和總結(jié)，根據(jù)探測(cè)儀器的信號(hào)響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地下金屬管線的定位和埋深測(cè)量。

實(shí)現(xiàn)高精度管線探測(cè)，一般均需通過(guò)信號(hào)供入裝置，將交流電流信號(hào)施加到待檢測(cè)的管線上，從信號(hào)供入方式上可分為兩種方法：

（1）感應(yīng)法：發(fā)射線圈供交變電流，在其周圍形成一次交變磁場(chǎng)，管線收到交變磁場(chǎng)的激勵(lì)作用產(chǎn)生交變電流，進(jìn)而在管線周圍形成二次交變磁場(chǎng)。接收裝置在一定距離內(nèi)接收二次磁場(chǎng)信號(hào)并分析其分布特征，從而達(dá)到尋找探測(cè)定位地下金屬管線的目的（如圖1所示）；

（2）直連法：將諧變電流I0e-iωt通過(guò)地下金屬管線的裸露處對(duì)其充電，一次場(chǎng)分布曲線如圖1所示。待測(cè)管線模擬為無(wú)限長(zhǎng)水平長(zhǎng)圓柱體，根據(jù)《場(chǎng)論》知識(shí)，可以計(jì)算出空間任一點(diǎn)p的總磁場(chǎng)強(qiáng)度H：

圖1 水平長(zhǎng)圓柱體磁場(chǎng)異常曲線圖

從圖1可見(jiàn)，Hx、Hz曲線特征與管線位置的關(guān)系為：

（1）在x=0處，即管線正上方Hx=Hxmax；Hz= 0；

（2）在x =±h 處，Hx=1/2Hxmax，|Hzmax|= 1/2Hxmax；

Hz正負(fù)極值點(diǎn)間的距離為2倍的管線中心埋深。

（3）在x→∞時(shí)，Hx及Hz曲線均趨于零。

由上述可知：

（1）在無(wú)嚴(yán)重干擾場(chǎng)存在時(shí)，無(wú)論采用直連法還是感應(yīng)法，均可根據(jù)Hx、Hz變化特征判斷地下金屬管線的存在；

（2）根據(jù)一次或二次交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的極值點(diǎn)，確定地下管線的中心點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)位；

（3）采用感應(yīng)法技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)背景場(chǎng)的分析，必要時(shí)應(yīng)對(duì)背景場(chǎng)進(jìn)行改正。

根據(jù)實(shí)踐效果對(duì)電磁法測(cè)深理論進(jìn)行驗(yàn)證，可總結(jié)電磁法對(duì)常規(guī)埋地鋼質(zhì)管道定位及測(cè)深的應(yīng)用效果十分理想。但對(duì)于超深管線（埋深＞6m）的定位及探深，傳統(tǒng)電磁法受管道埋深、傳感器靈敏度及管線敷設(shè)環(huán)境等不利因素限制，應(yīng)用效果并不理想。

2 提升超深管線探測(cè)精度的技術(shù)路徑

2.1 發(fā)射端創(chuàng)新采用衛(wèi)星同步法增加檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度

發(fā)射裝置通過(guò)接收GPS秒脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸出探測(cè)信號(hào)在時(shí)序上嚴(yán)格同步，使兩臺(tái)發(fā)射機(jī)給管道施加的檢測(cè)電流能夠?qū)崿F(xiàn)同步疊加，達(dá)到管道上的檢測(cè)電流在傳輸過(guò)程中相互補(bǔ)強(qiáng)，從而增加探測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)超埋深、長(zhǎng)跨度穿越管線的有效定位和埋深測(cè)量。

同步模式可以選擇在檢測(cè)段的同一位置或兩端施加檢測(cè)信號(hào)且不局限于兩臺(tái)發(fā)射機(jī)，可多臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)為檢測(cè)段待測(cè)管線加載信號(hào)。

圖2 雙側(cè)衛(wèi)星同步模式加載信號(hào)示意圖

2.2 接收端采用高靈敏度傳感器提升信號(hào)采集精度

圖3 磁芯線圈與空芯線圈對(duì)比圖（右為空心線圈）

超深管線定位系統(tǒng)接收機(jī)采用高精度空芯線圈，可有效避免磁芯線圈的弊端，通過(guò)信號(hào)調(diào)理和數(shù)字濾波等技術(shù)，大幅度提升超埋深管線上弱小信號(hào)的檢測(cè)識(shí)別和抗干擾能力。

在檢測(cè)信號(hào)良好的前提下，超深管線的探測(cè)深度達(dá)到40m，1～10m的測(cè)深精度優(yōu)于2%，10～20m的測(cè)量精度達(dá)到5%，20～40m的測(cè)量精度優(yōu)于10%。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果

研發(fā)團(tuán)隊(duì)與西氣東輸廣東管理處共同對(duì)四處不同位置及埋深管道進(jìn)行應(yīng)用與試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)達(dá)到了驗(yàn)證超深管道檢測(cè)系統(tǒng)的目的，為解決超深管段檢測(cè)困難的問(wèn)題提供了新的解決方法。

表1為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管段信息。

表1 項(xiàng)目應(yīng)用與示范對(duì)象情況表

為了達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，本次試?yàn)所選取的現(xiàn)場(chǎng)管線敷設(shè)環(huán)境各不相同，管線敷設(shè)埋深也在6～20m之間不等。其中佛山市龍翔大橋物探大鵬燃?xì)夤芫€為定向鉆穿越管段，埋設(shè)位置其他干擾較少，管線埋深最深位置約15m；東莞市石碣北王公路大王洲段LNG定向鉆管線屬于市區(qū)內(nèi)管線，管線周圍并行管線、高壓輸電線等其他金屬結(jié)構(gòu)較多，探測(cè)位置埋深超過(guò)10m；西氣東輸管線30650環(huán)焊縫點(diǎn)位管線敷設(shè)位置環(huán)境單一，地下水位較高，可驗(yàn)證系統(tǒng)在不同電阻率的敷設(shè)位置定位及測(cè)深的精度。

表2 佛山市龍翔大橋物探大鵬燃?xì)饪睖y(cè)點(diǎn)位超深管道試驗(yàn)

表3 東莞市石碣LNG定向鉆管線定位物探勘測(cè)點(diǎn)位超深管道試驗(yàn)

表4 西氣東輸管線30650環(huán)焊縫點(diǎn)位超深管道試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)與磁梯度測(cè)量方法測(cè)試結(jié)果比對(duì)，超深管線測(cè)繪系統(tǒng)UPL在大鵬燃?xì)饪睖y(cè)點(diǎn)10m范圍內(nèi)埋深測(cè)量誤差可保證在4%～4.5%范圍內(nèi)，在埋深15m的測(cè)試點(diǎn)埋深測(cè)量誤差在7.1%～9.2%之間，此測(cè)試點(diǎn)一側(cè)為佛山燃?xì)獍樾泄芫€，導(dǎo)致測(cè)量誤差偏大。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，電測(cè)法測(cè)量管線時(shí)，管線并行間距應(yīng)超過(guò)二分之一埋深，此時(shí)電磁法測(cè)量可保證測(cè)量 精度。

經(jīng)過(guò)與磁梯度測(cè)量方法測(cè)試結(jié)果比對(duì)，超深管線測(cè)繪系統(tǒng)UPL東莞市石碣LNG定向鉆管線定位物探勘測(cè)點(diǎn)位的埋深測(cè)量誤差可保證在0.7%～4.35%之間。該位置管段位于城區(qū)，電磁干擾較多，測(cè)試結(jié)果表明，在保證信噪比的情況下，超深管線定位系統(tǒng)可較好的完成定位和測(cè)深工作。

西氣東輸管線開(kāi)挖復(fù)拍施工30650環(huán)焊縫點(diǎn)位已知埋深為6.5m，超深管線定位系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果為7.2m，測(cè)量結(jié)果偏深，此測(cè)量點(diǎn)地下水位較高，該位置土壤電阻率偏低，介質(zhì)磁導(dǎo)率與常規(guī)管道埋設(shè)情況存在差異，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏深，證明超深管線定位系統(tǒng)在埋深測(cè)量過(guò)程中應(yīng)充分考慮磁導(dǎo)率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以保證測(cè)量精度，同時(shí)此管段未達(dá)到超埋深情況，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比管線埋深在9～15m是測(cè)量精度更高。該發(fā)現(xiàn)為系統(tǒng)的后期提升提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指明了該技術(shù)在超深管線探測(cè)過(guò)程中的發(fā)展方向。

4 展望

研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用先進(jìn)的電磁探測(cè)技術(shù)和衛(wèi)星同步技術(shù)，通過(guò)對(duì)埋地管道定位和測(cè)深技術(shù)的改造及升級(jí)，研發(fā)出能夠適應(yīng)當(dāng)前國(guó)內(nèi)超深埋地管道的專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)β裨O(shè)深度30m范圍內(nèi)的管道實(shí)現(xiàn)高精度定位及深度測(cè)量，為管道的日常維護(hù)及第三方施工提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)超深管線探測(cè)的技術(shù)空白。

超深管線定位系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該套系統(tǒng)應(yīng)用的可行性及實(shí)用性。檢測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，為管道管理方提供了明確的基礎(chǔ)信息。管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是后期施工及維護(hù)的基礎(chǔ)。越來(lái)越先進(jìn)的技術(shù)將被應(yīng)用到管道檢測(cè)技術(shù)中，管道的安全運(yùn)營(yíng)得以保證，也將更好奉獻(xiàn)能源服務(wù)民生。