利用“豎直剖面法”實現(xiàn)超深地下管線的精確定位

張永命，肖順，陳銳杰

(廣州市天馳測繪技術(shù)有限公司，廣東廣州 510660)

1 引言

地下管線探測技術(shù)服務作為一個行業(yè)，從上個世紀90年代開始發(fā)展，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、基礎建設、國家地理信息系統(tǒng)建設等領域發(fā)揮越來越大的作用。

目前，地下管線探測的核心技術(shù)仍然以電磁法探測為主。這主要是基于兩個方面的原因:一方面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;另一方面是由于電磁法探測原理最好地適應了當時技術(shù)發(fā)展條件，較其他方法率先實現(xiàn)了應用儀器的輕便化、探測結(jié)果的靈敏化和精確化以及設備生產(chǎn)的經(jīng)濟化［1～7］。但是傳統(tǒng)的電磁法地下管線探測設備，只對地下埋深 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)的廣泛應用，地下管線埋設愈來愈深，超過 10 m甚至數(shù) 10 m埋深的長距離穿越管線越來越多地分布在全國各地［8，9］。如何準確探測此類管線的位置及深度，為后續(xù)工程設計和施工提供準確可靠的地下空間信息，逐漸凸顯為探測技術(shù)盲區(qū)。

“豎直剖面法”探測技術(shù)是我公司在“水平剖面法”［10～12］基礎上獨立研發(fā)的專利技術(shù)，可以實現(xiàn)對超深金屬管線進行精確定位定深。概括地講，“豎直剖面法”就是在地面上用“水平剖面觀測法”對目標管道進行預定位，再在目標管道旁側(cè)鉆進一條豎直通道，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)曲線進行反演分析，求出目標管道位置和埋深。理論上豎直剖面法探測精度可達到±0.02h(h為目標管道距地面的中心埋深，h＞10 m時)。

2 “豎直剖面法”工作原理

“豎直剖面法”所測的信號也是單根無限長線電流所產(chǎn)生的電磁場信號，只是將平時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。當管道埋設很深時，在地面上所捕捉到電磁信號相當平緩和微弱(如圖1藍線所示)。先采用“水平剖面法”初步推斷目標管道的位置(S0)和埋深(H0)。然后在距預判目標管道中心 S0約0.2H0位置進行鉆探(0.10H0為誤差極限，故在0.20H0鉆探是安全的)，鉆探深度=1.2H0－1.3H0，以保證觀測到完整的豎直剖面。使用我公司專利探頭，在豎直方向?qū)Υ怪狈至窟M行連續(xù)檢測，探頭的峰值位置即目標管道的中心埋深H。

圖1 超深管道探測原理圖

豎直探頭讀取目標管道磁場的垂直分量Hz，其公式如下:

式中，Hz—電磁場的垂直分量;

L—鉆孔與目標管道的水平距離;

H—管道深度;

y—探頭深度;

Ki—與發(fā)射電流有關，當電流穩(wěn)定時Ki為常量。

由式(1)推出:當y=H時，Hz達到最大值Hzmax=Ki/L;當y=H±L時，Hz=0.5Hzmax。由此可以推算出鉆孔位與目標管道的水平距離L(50%法)。

3 應用實例

3.1 成功探測埋深超過20 m的超深穿越管

目標管道為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。管道埋設時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)我公司采用“水平剖面法”初測及“豎直剖面法”精測，計算出該頂管最深處距離地面為 27.1 m(誤差±0.54 m)?！八狡拭娣ā辈捎脝味碎L距離接地法激發(fā)(如圖2所示)，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R15探測點的位置圖(如圖2)及剖面觀測曲線圖(如圖4、圖5所示)，以作佐證。(PM8為“水平剖面法”測線編號，ZK8為“豎直剖面法”探測點編號。)

圖2 單端激發(fā)工作模式布置圖

圖3 R15位置圖(管頂埋深23.60 m)

圖4 PM8“水平剖面法”觀測曲線圖(管中x=6.1 m，h=17.7 m)

圖5 ZK8“豎直剖面法”觀測曲線圖(管中H=23.9 m，L=5.1 m)

實踐表明:利用“水平剖面法”測定的水平位置(圖4中x=6.1 m)精度可以達到規(guī)范要求(△x=±0.1H)，而“水平剖面法”測定的埋深(圖 4中h=17.7 m，圖5中H=23.9 m)與“豎直剖面法”精測的深度相去甚遠。

3.2 成功探測城市中心區(qū)路口下方穿越管

目標管道位于中山市南朗鎮(zhèn)某十字路口下方，高壓天然氣管道，管徑 660 mm，材質(zhì)為鋼，頂管穿越施工。目標管道埋設深度約 6 m～10 m，管道上方布滿了各類淺部管線，如圖6所示。為了準確探測有淺部干擾的超深地下管線，有效避開淺部干擾，對目標管道進行最有效激發(fā)是關鍵。通過方法試驗，我們最后采取雙端連接方式，并在導線穿過淺部干擾管線位置時，將導線架空，以盡量減小對淺部管線的干擾，如圖7所示?！八狡拭娣ā辈捎?640 Hz頻率，“豎直剖面法”采用 8 kHz頻率。實測曲線樣例如圖8、圖9所示。

從圖8可以看出，在地表淺部存在其他管線時，用“水平剖面觀測法”容易受到淺部管線干擾，頻率越高，受干擾程度越大(圖中紅線為 8 kHz，曲線明顯變形)。從圖9可以看出，“豎直剖面法”在近地面處。(0 m～3 m)同樣受到淺部管線干擾，但越往深處，干擾越來越小到忽略不計。通過圖9的探測結(jié)果，反推圖8的探測結(jié)果，可見圖8的平面位置和埋深均誤差較大。故在地面復雜條件下探測超深管線，“豎直剖面法”體現(xiàn)出獨到的技術(shù)優(yōu)勢。

圖6 目標管道分布圖(紫色粗線為目標管道)

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(管中x=8.6 m，h=3.2 m)

圖9 ZK3“豎直剖面法”觀測曲線圖(管中H=5.4 m，L=2.0 m)

4 結(jié)語

(1)在地表無旁側(cè)干擾情況下，“水平剖面法”可以進行初步定位，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(見圖5)。

(3)“豎直剖面法”可以有效避開淺部管線干擾，而且目標管道埋設越深，效果越好(見圖9)。

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

(5)“水平剖面法”和“豎直剖面法”相結(jié)合的精確探測模式，特別適用于給水、輸油、輸氣等管道頂管穿越方式過河、過江及交通繁華路口段的精準探測，在水面以下同樣適用。

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