孫士輝，朱能發(fā)，潘喜峰，徐建江，劉國(guó)輝

(1.天津市勘察院，天津 300191；2.河北地質(zhì)大學(xué) 研究生學(xué)院，河北 石家莊 050031)

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磁梯度技術(shù)在深埋并行金屬管線(xiàn)探測(cè)中的應(yīng)用

孫士輝1，朱能發(fā)1，潘喜峰1，徐建江1，劉國(guó)輝2

(1.天津市勘察院，天津 300191；2.河北地質(zhì)大學(xué) 研究生學(xué)院，河北 石家莊 050031)

深埋金屬管線(xiàn)是管線(xiàn)探測(cè)的難題，而探測(cè)并行金屬管線(xiàn)則更是難上加難。利用地球磁場(chǎng)對(duì)金屬管道產(chǎn)生磁化作用的原理，深入研究了等徑與不等徑并行金屬管道的磁梯度場(chǎng)，就其梯度場(chǎng)的形態(tài)特征、影響梯度場(chǎng)的因素進(jìn)行探討；借助于計(jì)算機(jī)正演模擬了不同管徑、不同磁方位角并行金屬管道磁梯度場(chǎng)的形態(tài)，以及金屬管道兩側(cè)的磁梯度曲線(xiàn)異常，最終達(dá)到快速識(shí)別并行管線(xiàn)與單一金屬管線(xiàn)，精確判斷管線(xiàn)位置的目的。

磁梯度；探測(cè)；深埋；并行管線(xiàn)

1 引 言

隨著探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展及新方法、新儀器的應(yīng)用，廣大管線(xiàn)探測(cè)人員已經(jīng)能夠較好地完成淺埋管線(xiàn)探測(cè)任務(wù)，解決復(fù)雜場(chǎng)地環(huán)境下的管線(xiàn)探測(cè)問(wèn)題，但對(duì)兩端封閉的深埋管線(xiàn)仍束手無(wú)策。所謂深埋管線(xiàn)主要是由于條件限制不得不穿越諸如鐵路、河流、湖泊、公路、房屋建筑等不可逾越的障礙物而采用拉管或頂管施工工藝形成的。此類(lèi)管線(xiàn)的突出特點(diǎn)是埋深大，一般從五米到二十幾米甚至更深，此時(shí)常規(guī)的管線(xiàn)探測(cè)方法無(wú)法獲得其具體位置及深度。王水強(qiáng)等[1]介紹了利用磁梯度探測(cè)非開(kāi)挖金屬管線(xiàn)的方法；詹斌等[2]詳細(xì)討論了深埋金屬管線(xiàn)的磁梯度探測(cè)方法，均取得了較好的效果。為此筆者深入研究，全面模擬與分析磁梯度探測(cè)方法，尤其是利用此方法充分考慮地磁要素對(duì)深埋并行管線(xiàn)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，并且在有效指導(dǎo)鉆孔布設(shè)方面做了探討。

2 理論基礎(chǔ)

地球周?chē)嬖谥卮艌?chǎng)，在地磁場(chǎng)的作用下所有磁性體均被磁化產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，它們疊加在正常地磁場(chǎng)上，使地磁場(chǎng)正常分布規(guī)律發(fā)生變化，這種變化的磁場(chǎng)稱(chēng)為磁異常。本文所要研究的深埋金屬管線(xiàn)屬于強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)，將金屬管線(xiàn)視為水平金屬管道，受大地磁場(chǎng)的磁化作用，在其周?chē)鷧^(qū)域分布有較強(qiáng)的磁異常，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的梯度值的分布來(lái)判定異常體的平面位置及埋深。將區(qū)域內(nèi)的水平金屬管道等效為無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體，規(guī)定Za向下為正，I為磁傾角(本文取30°)，A為磁方位角[3,4]。

3 并行等徑水平圓柱體磁梯度場(chǎng)理論模擬

等徑并行水平圓柱金屬管道空間梯度等值線(xiàn)圖的外部形態(tài)大體上與單根金屬管道的磁梯度空間等值線(xiàn)圖類(lèi)似，內(nèi)部(靠近圓柱體部分)形態(tài)要比金屬管線(xiàn)復(fù)雜，從上到下、自左至右正負(fù)梯度曲線(xiàn)相互穿插，且從中心至上下兩方向梯度異常曲線(xiàn)玫瑰圖由多瓣匯聚為一瓣[5]。當(dāng)并行水平圓柱體南北走向時(shí)(磁方位角A=90°，磁傾角I=30°)，其磁梯度異常表現(xiàn)為東西兩側(cè)磁梯度異常場(chǎng)呈軸對(duì)稱(chēng)分布，異常以垂直管線(xiàn)軸線(xiàn)的斷面呈現(xiàn)正異常、負(fù)異常相間分布，同樣當(dāng)并行水平圓柱體東西走向時(shí)(磁方位角A=0°，磁傾角I=30°)，其南北兩側(cè)磁異常場(chǎng)呈非對(duì)稱(chēng)分布，其空間等值斷面圖沿軸線(xiàn)發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，內(nèi)部異常形態(tài)發(fā)生一定程度的扭曲；當(dāng)并行金屬管道其他走向時(shí)其磁梯度異常場(chǎng)空間分布介于兩者之間[6]。

為了便于比較并行金屬管道不同位置剖面特征及其與單根金屬管道在相同位置處產(chǎn)生的梯度值大小，設(shè)兩水平金屬管道相距50cm，坐標(biāo)分別為(X=25 cm，Z=0 cm；X=-25 cm，Z=0 cm)。分別取X=0 cm(兩管道中心)、X=50 cm處磁梯度剖面；同時(shí)取單一水平金屬管道磁梯度剖面(X=50 cm)。

圖1 并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=0 cm，A=90°，I=30°Fig.1 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=90°，I=30°

圖2 并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=-50 cm，A=90°，I=30°Fig.2 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=90°，I=30°

由圖1、圖2、圖3作比較不難看出，兩圓柱體距離中心位置處剖面(X=0 cm)的梯度場(chǎng)大于兩圓柱體外側(cè)(X=50 cm)的場(chǎng)，此為兩圓柱體磁梯度場(chǎng)相互疊加的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)注意，上述情況并不是絕對(duì)的，當(dāng)并行圓柱體之間距離較遠(yuǎn)時(shí)結(jié)果可能相反。同時(shí)由于兩圓柱體南北走向(垂直磁化)，導(dǎo)致X=50 cm處磁梯度剖面形態(tài)完全一致[7]。

圖3、圖4分別為并行金屬管道和單一金屬管道在相同距離處的磁梯度異常剖面。受疊加場(chǎng)的作用影響，前者大于后者，因此在具備一定的前提條件下，可以利用相同距離下的磁場(chǎng)值相對(duì)大小判斷是否存在等徑并行管線(xiàn)。

當(dāng)并行金屬管道東西走向(A=0°)時(shí)，分別模擬X=0 cm、X=50 cm處的磁梯度剖面曲線(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在X=0 cm處的剖面(圖5)依然是標(biāo)準(zhǔn)“S”型曲線(xiàn)，與圖3相比只是異常極值變小，依然為兩個(gè)梯度場(chǎng)在金屬管道斜磁化情況下相互疊加的磁梯度場(chǎng)相互抵消所致。

并行金屬管道南北兩側(cè)(X=50 cm)剖面曲線(xiàn)與單根圓柱體南北兩側(cè)剖面類(lèi)似，曲線(xiàn)特征依次為：從上到下依次出現(xiàn)正極大值、負(fù)極大值，還有一個(gè)較小的局部正極值，負(fù)極值大于正極值(圖6)[8]；從上到下依次出現(xiàn)局部負(fù)極值、正極大值、負(fù)極大值，正極值大于負(fù)極值(圖9)。

圖3 并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.3 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=50cm，A=90°，I=30°

圖4 單根金屬管道Za梯度場(chǎng)剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.4 Single metal pipe Za cross sectional view of the gradient field X=50cm，A=90°，I=30°

圖5 并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=0 cm，A=0°，I=30°Fig.5 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=0°，I=30°

圖6 并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=50 cm，A=0°，I=30°Fig.6 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=50 cm，A=0°，I=30°

4 并行不等徑水平圓柱體磁梯度場(chǎng)理論模擬

在實(shí)際情況下，不等徑并行管線(xiàn)也是確確實(shí)實(shí)存在的，例如中壓和低壓燃?xì)夤芫€(xiàn)就存在并行的情況。此處對(duì)不等徑并行管線(xiàn)進(jìn)行理論模擬，兩圓柱體中心坐標(biāo)為X=-25 cm，Y=0和X=25 cm，Y=0。不等徑并行金屬管道磁梯度場(chǎng)空間等值線(xiàn)圖(南北走向)的基本特征是：外部由六瓣玫瑰圖正負(fù)相間組成，以X=0為軸，由于管徑(磁矩)不同，左半部分磁梯度值總體大于右半部分；內(nèi)部盡管梯度場(chǎng)玫瑰圖花瓣較多，但同樣表現(xiàn)出左面梯度值整體大于右面，且正負(fù)梯度異常相間分布。不等徑并行管線(xiàn)的磁場(chǎng)為非對(duì)稱(chēng)場(chǎng)，因此其梯度場(chǎng)同樣是不對(duì)稱(chēng)的。當(dāng)此類(lèi)并行水平圓柱體東西走向時(shí)(A=90°)，其南北兩側(cè)磁異常場(chǎng)呈非對(duì)稱(chēng)分布，其空間等值斷面圖沿軸線(xiàn)發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，內(nèi)部異常形態(tài)發(fā)生一定程度的扭曲。

同上節(jié)一樣，分別取此模型X=0 cm(兩圓柱體中心)、X=50 cm處磁梯度剖面；X=0 cm時(shí)所表示的剖面為兩根圓柱體中間位置(圖8)，由于是垂直磁化，因此仍能得到標(biāo)準(zhǔn)的“S”曲線(xiàn)，仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)其正負(fù)極大值也大于X=50 cm位置處的極值[9]。

圖7 并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=-50 cm，A=0°，I=30°Fig.7 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=0°，I=30°

圖8 不等徑并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=0 cm，A=90°，I=30°Fig.8 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=90°，I=30°

圖9 不等徑并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=-50 cm，A=90°，I=30°Fig.9 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=90°，I=30°

圖10 不等徑并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.10 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=50 cm，A=90°，I=30°

由圖9與圖10可知，由于兩個(gè)梯度場(chǎng)的大小不同導(dǎo)致X=50 cm處磁梯度剖面曲線(xiàn)的幅值不同，即左側(cè)剖面極值要大于右側(cè)剖面，曲線(xiàn)依然是較為標(biāo)準(zhǔn)的磁梯度曲線(xiàn)。利用上述特征在一定條件下可以大致判斷并行管線(xiàn)是否等徑。

當(dāng)不等徑并行圓柱體東西走向時(shí)，在X=0處所得到的剖面已不再關(guān)于Z=0軸對(duì)稱(chēng)，與等徑并行金屬管線(xiàn)(圖7)相比，此處所得到的曲線(xiàn)圖不是標(biāo)準(zhǔn)“S”型(圖11)，很明顯受左側(cè)水平圓柱體影響較大，與不等徑并行圓柱體南北走向X=0(圖8)剖面相比，其極值明顯變小，說(shuō)明在東西走向時(shí)兩個(gè)梯度場(chǎng)產(chǎn)生了相互削減作用[10]。

圖12與圖13分別為X=50處的剖面曲線(xiàn)，與前文所有此位置處的剖面一致的特征為：從上到下依次出現(xiàn)局部負(fù)極值、正極大值、負(fù)極大值，正極值大于負(fù)極值(圖12)。從上到下依次出現(xiàn)正極大值、負(fù)極大值，還有一個(gè)較小的局部正極值，負(fù)極值大于正極值(圖13)。稍有差別的是左側(cè)極值大于右側(cè)極值， 因此利用此特征也可以判斷并行管線(xiàn)是否等徑。

圖12 不等徑并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=-50 cm，A=90°，I=30°Fig.12 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=90°，I=30°

圖11 不等徑并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=0 cm，A=0°，I=30°Fig.11 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=0°，I=30°

圖13 不等徑并行金屬管道Za梯度場(chǎng)異常剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.13 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=50 cm，A=90°，I=30°

5 天津臨港工業(yè)區(qū)某工程應(yīng)用

天津市某電力公司擬在臨港工業(yè)區(qū)渤海十路與長(zhǎng)江道交口東北角處施工電力轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)，塔基的施工場(chǎng)地為8 m×8 m的正方形區(qū)域，塔基為樁基礎(chǔ)，其樁端深約25 m。經(jīng)調(diào)查，該施工場(chǎng)地附近有兩條拉管敷設(shè)的穿越景觀河和道路的鋼質(zhì)管道(一條DN300燃?xì)夤芫€(xiàn)和一條DN200輸油管線(xiàn))，大致走向?yàn)镹NW(北北西)，建設(shè)年限約5年，在施工場(chǎng)地附近埋深約5 m 至18 m之間；管線(xiàn)與周?chē)橘|(zhì)具有較大的磁性差異，完全具備開(kāi)展磁梯度探測(cè)的前提條件。

根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)情況及實(shí)際需要，最終在測(cè)區(qū)內(nèi)布置了兩個(gè)斷面(1號(hào)、2號(hào)斷面)，分別布置7個(gè)、6個(gè)測(cè)孔，并進(jìn)行了磁梯度探測(cè)(圖14)。

圖14 實(shí)際鉆孔布置圖Fig.14 The actual drilling layout

1號(hào)斷面作為開(kāi)展工作的第一個(gè)斷面，為了避免遺漏管線(xiàn)，結(jié)合預(yù)估管線(xiàn)深度，布置了7個(gè)測(cè)孔，孔間距為0.5 m到1 m不等，0.5 m間距均為加測(cè)探孔，最深探孔深度25 m。通過(guò)對(duì)這7個(gè)測(cè)孔的磁梯度分析處理繪制了1號(hào)斷面磁測(cè)曲線(xiàn)，如圖15所示。

通過(guò)圖15可知孔1-2、1-3、1-4、1-5、1-6和1-7均存在較明顯的磁異常。首先觀察測(cè)孔1-1，從上到下磁測(cè)曲線(xiàn)圓滑，不時(shí)有不連續(xù)單點(diǎn)跳躍，幅值較低，為地層礦物顆粒(如鐵錳結(jié)核)所引起，未發(fā)現(xiàn)明顯管線(xiàn)磁異常。于是繼續(xù)完成1-2測(cè)孔，此測(cè)孔在深度約7～8 m處呈現(xiàn)明顯磁異?！癝”型曲線(xiàn)，且具有負(fù)極值大于正極值的特征，因此推斷管線(xiàn)位于此測(cè)孔的SW(南西)方向，為了捕捉管線(xiàn)準(zhǔn)確位置布置1-3測(cè)孔，此測(cè)孔在鉆探過(guò)程中，在深度約7.3 m處遇到不明障礙物，鑒于不損壞管線(xiàn)防腐層的原則，即刻停止鉆探工作，磁測(cè)曲線(xiàn)在大約7 m處開(kāi)始出現(xiàn)較大幅值異常，結(jié)合對(duì)上述測(cè)孔的分析，磁異常為鋼制管線(xiàn)所在處，管線(xiàn)中心埋深約為7.3 m。為保證斷面連續(xù)性，繼續(xù)鉆探得到1-4磁測(cè)曲線(xiàn)，異常幅值較1-2小且負(fù)異常大于正異常，異常深度與1-2大致相符合，由理論模型可推測(cè)此異常與上述異常為同一根管線(xiàn)的反映。1-5探孔磁測(cè)曲線(xiàn)出現(xiàn)“S”型曲線(xiàn)異常，異常范圍為7～8.5 m左右，特征為正極值大于負(fù)極值且深度范圍明顯不同，顯然與1-4、1-2異常不同，為另一根鋼制管線(xiàn)反映；1-6孔異常特征與1-5孔相反，幅值較強(qiáng)，異常范圍為7.2～8.8 m，由相關(guān)理論可知管線(xiàn)應(yīng)位于兩孔中間；1-7為加測(cè)探孔，目的為捕捉管線(xiàn)平面位置，在7.5 m處遇到障礙物，經(jīng)儀器探測(cè)存在較大異常。綜合以上三測(cè)孔，此管線(xiàn)中心深度約為7.8 m。

圖15 1號(hào)斷面磁梯度實(shí)測(cè)曲線(xiàn)Fig.15 The 1st section of the magnetic gradient measured curves

圖16 2號(hào)斷面磁梯度實(shí)測(cè)曲線(xiàn)Fig.16 The 2nd section of the magnetic gradient measured curves

為確保不遺漏管線(xiàn)，2-1測(cè)孔深度仍為25 m，此孔磁測(cè)曲線(xiàn)未發(fā)現(xiàn)明顯異常。2-2測(cè)孔曲線(xiàn)在深度8.5～10 m范圍內(nèi)存在“S”型曲線(xiàn)異常，并且呈現(xiàn)負(fù)極值大于正極值異常特征，依據(jù)單根管線(xiàn)理論模型推斷引起磁異常的潛在管線(xiàn)位于其南西側(cè)。由于異常深度已基本鎖定，故2-3、2-4測(cè)孔鉆進(jìn)深度適度變淺，2-3、2-4磁測(cè)曲線(xiàn)相似深度處異常特征均表現(xiàn)為正極值大于負(fù)極值，且2-3異常幅值大于2-4，因此鋼制管線(xiàn)應(yīng)位于2-2和2-3孔之間靠近2-3孔一側(cè)。綜合以上三孔曲線(xiàn)特征，此根管線(xiàn)中心埋深為9.1 m。2-5曲線(xiàn)異常幅度較小，負(fù)極值大于正極值，與2-4孔異常顯然不是同一場(chǎng)源引起，同樣推測(cè)此異常管線(xiàn)位于其南西側(cè)，值得注意的是2-5孔的縱向異常范圍最大，異常幅值卻最小，符合并行管線(xiàn)中部梯度場(chǎng)特征，應(yīng)為兩根管梯度場(chǎng)疊加所致。2-6孔具有較大的磁異常反映，正極值大于負(fù)極值，異常幅度較2-5孔異常大，因此，引起2-5、2-6異常的管線(xiàn)在兩孔之間，且靠近2-6孔，綜上判斷此管線(xiàn)的中心埋深為8.5 m。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文非常直觀地展示了并行金屬管線(xiàn)空間斷面及剖面圖，總結(jié)了并行金屬管線(xiàn)的磁梯度剖面異常特征，并與單一金屬管線(xiàn)剖面特征做對(duì)比，得到判別平行與單一金屬管線(xiàn)的方法，并結(jié)合工程場(chǎng)地實(shí)地采集所需的不同磁梯度數(shù)據(jù)處理成圖，與理論模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)地驗(yàn)證了不同要素(磁方位角、管徑等)對(duì)磁梯度場(chǎng)形態(tài)的影響，進(jìn)而得到了深埋并行金屬管道的判斷方法，解決了此類(lèi)管道探測(cè)的難題。

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The Application of Magnetic Gradient to the Detection of Parallel Buried Metal Pipe

Sun Shihui1,Zhu Nengfa1,Pan Xifeng1,Xu Jianjiang1,Liu Guohui2

(1.TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation,Tianjin300191,China；2.GraduateSchool,HebeiUniversityofGeosciences,ShijiazhuangHebei050031,China)

The detection of buried metal pipe is a difficult, and the detection of parallel metal lines is even more difficult. This paper uses the principle of magnetization of the earth's magnetic field on the metal pipeline and has a depth study on the magnetic gradient field of equal and unequal diameter parallel metal pipes. The formative characteristics and the factors affecting the gradient field are discussed. By means of a computer simulation of magnetic gradient field forms of different diameters and magnetic azimuth of parallel metal pipes, and the magnetic gradient anomalies on the sides of metal pipes, ultimately parallel lines and single metal pipe can be identified quickly, and the location of pipe lines can be determined accurately.

magnetic gradient; detection; deep buried; parallel pipe

1672—7940(2016)02—0184—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.009

孫士輝(1984-)，男，碩士，主要從事工程物探的生產(chǎn)及科研工作。E-mail:474222791@163.com

P631.2

A

2015-04-22