利用豎直剖面法實(shí)現(xiàn)超深地下管道的精確定位

張永命，肖 順，韓 穎

(廣州市天馳測繪技術(shù)有限公司，廣東廣州510660)

一、概 述

地下管線探測技術(shù)服務(wù)作為一個(gè)行業(yè)，從20世紀(jì)90年代開始發(fā)展。到目前為止，地下管線探測已經(jīng)涉及全國所有大、中城市及部分中小城市，在城市規(guī)劃、基礎(chǔ)建設(shè)、國家地理信息系統(tǒng)建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

目前，地下管線探測的核心技術(shù)以電磁法探測為主。這主要是由于兩個(gè)方面的原因:一是我國早期地下管線除排水外絕大多數(shù)是金屬材質(zhì)的;二是由于電磁法探測原理最好地適應(yīng)了當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展條件，較其他方法率先實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用儀器的輕便化、探測結(jié)果的靈敏化和精確化，以及設(shè)備生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)化。但是傳統(tǒng)的電磁法地下管線探測設(shè)備，只對地下埋深3～5 m以內(nèi)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(shù)的廣泛應(yīng)用，地下管線埋藏愈來愈深，超過十米甚至數(shù)十米埋深的長距離穿越管線越來越多地分布在全國各地。如何準(zhǔn)確探測這些管線的位置及深度，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的地下空間信息，逐漸成為探測技術(shù)盲區(qū)。

豎直剖面法探測技術(shù)是筆者所在單位在水平剖面法［1］基礎(chǔ)上獨(dú)立研發(fā)的專利技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對超深金屬管線的精確定位定深。概括地講，豎直剖面法是指在地面上用水平剖面觀測法對目標(biāo)管道進(jìn)行預(yù)定位，然后在目標(biāo)管道旁側(cè)鉆進(jìn)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(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行反演分析，求出目標(biāo)管道位置和埋深，理論上豎直剖面法探測精度可達(dá)到0.02 h(h為目標(biāo)管道距地面的中心埋深)。

二、豎直剖面法工作原理

豎直剖面法所測的信號是單根無限長線電流所產(chǎn)生的磁場信號，只是將平時(shí)在水平地面上測量磁場的水平分量，“旋轉(zhuǎn)”90°變成測量磁場的垂直分量，如圖1所示。當(dāng)管道埋設(shè)很深時(shí)，在地面上所捕捉到電磁信號相當(dāng)平緩和微弱(如圖1灰線所示)。首先采用水平剖面法初步推斷目標(biāo)管道的位置(S0)和埋深(H0);然后在距離預(yù)判目標(biāo)管道中心S0約0.2H0位置進(jìn)行鉆探(0.15H0為誤差極限，故在0.2H0鉆探是安全的)，鉆探深度 1.2～1.3H0以保證觀測到完整的豎直剖面;最后利用筆者所在單位專利探頭，進(jìn)行豎直方向信號檢測，探頭的峰值位置即目標(biāo)管道的中心埋深H。

圖1 超深管道探測原理圖

設(shè)豎直探頭讀取目標(biāo)管道磁場的垂直分量Hz，其公式如下

由式(1)推出:當(dāng)y=H時(shí)，Hz達(dá)到最大值Hzmax=Ki/L;當(dāng)y=H±L時(shí)，Hz=0.5Hzmax。由此可以推算出鉆孔位距離目標(biāo)管道的水平距離L(50%法)。

三、應(yīng)用實(shí)例

1.豎直剖面法成功探測埋深超過20 m的超深穿越管

目標(biāo)管道位于珠海市珠海大道邊上的高壓天然氣管道，管徑660 mm，材質(zhì)為鋼。管道埋設(shè)時(shí)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(jīng)筆者所在單位采用水平剖面法初測及豎直剖面法精測，頂管最深處距離地面為27.1 m(誤差0.6 m)。水平剖面法采用單端長距離接地法激發(fā)，640 Hz單天線接收;豎直剖面法采用單端長距離接地法激發(fā)(如圖3所示)，8 kHz豎直孔中探頭接收。下面列舉Ri115探測點(diǎn)的位置圖及剖面觀測曲線圖，以作佐證(PM8為水平剖面法編號，ZK8為豎直剖面法編號)，如圖2～圖5所示。

圖2 Ri115位置圖(管頂埋深23.60 m)

圖3 單端激發(fā)工作模式布置圖

圖4 PM8“水平剖面法”觀測曲線圖

圖5 ZK8“豎直剖面法”觀測曲線圖

2.豎直剖面法成功探測城市中心去路口下方穿越管

目標(biāo)管道位于中山市南朗鎮(zhèn)某十字路口下方，為高壓天然氣管道，管徑660 mm，材質(zhì)為鋼，頂管穿越施工。目標(biāo)管道埋藏深度約6～10 m，管道上方布滿了各類淺部管線，如圖6所示。為了準(zhǔn)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(biāo)管道進(jìn)行最有效激發(fā)是關(guān)鍵。通過方法試驗(yàn)，筆者最后采取雙端連接方式，并在導(dǎo)線穿過淺部干擾管線位置時(shí)，將導(dǎo)線架空，以盡量避免對淺部管線的干擾，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(shí)測曲線樣例如圖8～圖9所示。

圖6 目標(biāo)管道分布圖(紫色粗線為目標(biāo)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

圖9 ZK3“豎直剖面法”觀測曲線圖

四、結(jié)束語

1)在地表無旁側(cè)干擾情況下，水平剖面法可以進(jìn)行初步定位，但是深度誤差較大。如PM8反演深度為17.7 m，經(jīng)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(如圖5所示)。

3)豎直剖面法可以有效避開淺部管線干擾，而且目標(biāo)管道埋藏越深，效果越好(如圖9所示)。

4)豎直剖面法探測精度與目標(biāo)管道的埋深H無關(guān)，與鉆孔位置與目標(biāo)管線的平距L相關(guān)，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。

5)結(jié)合水平剖面法和豎直剖面法的精確探測模式，特別適用于輸油、輸氣管道頂管穿越方式過河、過江及交通繁華路口段的精準(zhǔn)探測，在水面以下同樣適用。

［1］張永命，肖順.剖面觀測法在超深管線探測中的應(yīng)用［J］.城市勘測，2011(S0).

［2］周鳳林，洪立波.城市地下管線探測技術(shù)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［3］CJJ 61—2003城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］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(S1).