白雪峰

(太原天然氣有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

隨著我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)的快速發(fā)展，非開(kāi)挖敷設(shè)管道技術(shù)普遍進(jìn)入了燃?xì)夤艿朗┕さ念I(lǐng)域，得益于該項(xiàng)技術(shù)不需要開(kāi)挖地面的優(yōu)勢(shì)，在燃?xì)夤艿来┰焦贰㈣F路、河道、農(nóng)作物及植被保護(hù)區(qū)等不具備開(kāi)挖施工的障礙節(jié)點(diǎn)時(shí)，非開(kāi)挖技術(shù)極大的滿足了管線施工的需求,在節(jié)省大量投資的同時(shí)，保證了施工的效率和工期。以太原天然氣公司C字形高壓環(huán)網(wǎng)為例，其主要依托城市環(huán)網(wǎng)高速道路進(jìn)行敷設(shè)，在經(jīng)過(guò)不具備開(kāi)挖條件的特殊地段時(shí)，均采用頂管或水平定向鉆進(jìn)行施工，管線在經(jīng)過(guò)太原汾河段的埋深范圍可達(dá)5 m～25 m。鑒于太原市南移西進(jìn)城市擴(kuò)建戰(zhàn)略的實(shí)施，原處于太原郊區(qū)的南環(huán)高壓管線也迎來(lái)了周邊基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)高峰，第三方施工作業(yè)與深埋的高壓燃?xì)夤芫€的交叉作業(yè)也不可避免，為了有效的保護(hù)燃?xì)夤芫€的安全運(yùn)行，目前太原天然氣公司對(duì)于淺埋深地下管線的非開(kāi)挖探測(cè)，采用的是基于電磁感應(yīng)原理的探管儀，但是由于探管儀地面接收裝置所測(cè)定的管道交變磁場(chǎng)會(huì)隨著敷設(shè)深度的增加出現(xiàn)急劇衰減，所以在使用探管儀探測(cè)埋深較大管線時(shí)，探測(cè)精度低、可靠性差的特性只能作為參考使用，不可完全作為第三方施工前的管線交底數(shù)據(jù)使用。因此，超大埋深天然氣管線的精確探測(cè)成為了燃?xì)夤炯毙杞鉀Q的課題。

本文以太原市汾河南延項(xiàng)目防滲墻施工作業(yè)與太原天然氣公司南環(huán)高壓DN600燃?xì)夤芫€交叉進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)采用電磁感應(yīng)法、磁梯度法、工程鉆探法對(duì)深埋天然氣管道精確探測(cè)方法進(jìn)行研究，為日后超大埋深燃?xì)夤芫€的探測(cè)提供技術(shù)參考。

2 探查區(qū)域情況

汾河太原城區(qū)段治理三期工程，北起汾河二期南延工程末端(祥云橋南500 m)，南至?xí)x祠迎賓路南2 000 m，全長(zhǎng)約12 km。在進(jìn)一步改善太原市生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也將作為2019年第二屆全國(guó)青運(yùn)會(huì)水上運(yùn)動(dòng)比賽項(xiàng)目的場(chǎng)地使用。施工區(qū)域內(nèi)現(xiàn)敷設(shè)有DN600 (3PE螺旋縫雙面埋弧焊鋼管)天然氣高壓管線，敷設(shè)施工方式為水平定向鉆，運(yùn)行壓力1.8 MPa～1.9 MPa。為防止汾河蓄水后水體向外滲漏，汾河?xùn)|西岸均采用旋噴樁施工工藝的地下連續(xù)防滲墻，因高壓管線為橫穿汾河，故防滲墻施工作業(yè)與燃?xì)夤芫€存在垂直交叉，且防滲墻的施工深度大于管線埋深，防滲墻施工方案要求在確保地下防滲墻有效連接的同時(shí)(噴漿鉆頭間隔為60 cm)，對(duì)管道進(jìn)行水泥砂漿的包封處理，鑒于施工過(guò)程對(duì)于燃?xì)夤艿蓝ㄎ坏囊缶忍貏e高(見(jiàn)圖1)，管道探測(cè)的精確度成為了保證管線安全最重要的方面。

3 探測(cè)方式原理及要點(diǎn)分析

目前對(duì)于地下管道可根據(jù)管線是否有敞口分為封閉管線和非封閉管線兩類(lèi)，結(jié)合探測(cè)設(shè)備能否進(jìn)入管道內(nèi)部的區(qū)別又可分為可穿線管道和不可穿線管道兩類(lèi)，可穿線管道即是敷設(shè)于套管內(nèi)的電力、通信等管線，探測(cè)設(shè)備可進(jìn)入管道內(nèi)部對(duì)管道走向埋深進(jìn)行測(cè)量，非封閉的管線探測(cè)可采用傳感器探測(cè)法、示蹤導(dǎo)線法和慣性陀螺儀定位技術(shù)，而高壓燃?xì)夤芫€作為壓力等級(jí)較高的封閉管線，非封閉管線的探測(cè)方式是無(wú)法適用于燃?xì)夤芫€的，故本文不進(jìn)行探討分析。同時(shí)《城鎮(zhèn)地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》中3.0.15第三條明確規(guī)定：嚴(yán)禁在燃?xì)夤艿朗褂免F探進(jìn)行探測(cè)，所以目前燃?xì)夤芫€的探測(cè)方式有電磁感應(yīng)法、地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、地震波法、鉆孔磁梯度法、工程觸探法等，其中工程鉆探法在鉆進(jìn)過(guò)程中不得損壞燃?xì)夤艿婪栏瘜印?/p>

根據(jù)相關(guān)研究中不同探測(cè)方法準(zhǔn)確性、可靠性、適用性的研究[1]，電磁感應(yīng)法、地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、地震波法均為表層探測(cè)法，相關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)存在精度上的誤差，僅能確定燃?xì)夤艿赖拇笾路秶?，無(wú)法滿足本次施工作業(yè)超高精度的要求，故最終探測(cè)方案在綜合考慮探測(cè)區(qū)域環(huán)境及探測(cè)成本后，將探管儀(電磁感應(yīng)法)作為管線平面位置及埋深進(jìn)行基本定位的方式，然后結(jié)合鉆孔磁梯度法對(duì)燃?xì)夤芫€水平位置及埋深進(jìn)一步準(zhǔn)確定位，同時(shí)應(yīng)用工程觸探法對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行物理層面的復(fù)核和驗(yàn)證，從而保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確無(wú)誤，切實(shí)保障地下燃?xì)夤芫€的安全。

3.1 電磁感應(yīng)法

電磁感應(yīng)法作為最常用的地下管線探測(cè)方法，地下管線具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性，金屬管線一般具有中等以上強(qiáng)度的磁性，其與周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性存在一定的差異性。當(dāng)探管儀對(duì)燃?xì)夤芫€施加一定頻率和適當(dāng)強(qiáng)度的交變電磁場(chǎng)后，燃?xì)夤芫€與大地之間便有相應(yīng)的交變電流通過(guò)，該交變電流在其周?chē)臻g產(chǎn)生相同頻率的交變電磁場(chǎng)，即在目標(biāo)管線周?chē)纬啥谓蛔冸姶艌?chǎng)異常，探管儀接收裝置通過(guò)分析電磁場(chǎng)空間分布規(guī)律并檢測(cè)燃?xì)夤芫€的異常，便能確定目標(biāo)管線的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下金屬管線定位的目的。探測(cè)方法分為主動(dòng)源和被動(dòng)源方法，其中主動(dòng)源法包括直接法、夾鉗法、感應(yīng)法。本次探測(cè)過(guò)程中，由于過(guò)河段燃?xì)夤芫€在汾河兩岸設(shè)置有埋地閥門(mén)，探管儀的發(fā)射裝置可采用直接法與燃?xì)夤芫€進(jìn)行連接，同時(shí)接觸點(diǎn)應(yīng)使用砂紙進(jìn)行必要的除銹打磨，保證接觸效果良好。在探測(cè)過(guò)程中可通過(guò)使用較大發(fā)射功率的儀器，施加低頻信號(hào)等措施可以增加管線探測(cè)儀的極限深度，為后期精確探測(cè)提供可供參考的數(shù)據(jù)。

3.2 鉆孔磁梯度法

地球自身是一個(gè)大的磁性體，在地球上的各種地層、巖體都不同程度的存在一定的磁性，磁性的強(qiáng)弱與地層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形成年代等具有密切關(guān)系，但在某一特定工程領(lǐng)域內(nèi)，可認(rèn)為地磁場(chǎng)在該區(qū)域內(nèi)是固定的。在沒(méi)有外界磁性物質(zhì)干擾的情況下，其磁場(chǎng)強(qiáng)度就是地磁場(chǎng)，即背景場(chǎng)。對(duì)于采用鋼質(zhì)材料的燃?xì)夤芫€，由于其自身磁化率較高，受大地磁場(chǎng)的磁化作用，將會(huì)在其周?chē)植加休^強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)，管道周邊的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)高于背景場(chǎng)或其他物質(zhì)磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生磁異常，而在遠(yuǎn)離管線管頂上部、管底下部的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度又會(huì)回歸到背景場(chǎng)，針對(duì)燃?xì)夤芫€垂向的磁梯度分布的特點(diǎn)，通過(guò)量測(cè)燃?xì)夤芫€側(cè)面磁梯度值變化，可以區(qū)別和分析不同磁性異常體的磁性和空間分布，從而確定燃?xì)夤芫€的實(shí)際埋設(shè)深度(見(jiàn)圖2)。

本次探測(cè)區(qū)域地處汾河河道內(nèi)(沙土地質(zhì))，周邊未發(fā)現(xiàn)有電塔等干擾設(shè)施，且地下經(jīng)前期勘察無(wú)其他管線，故探查區(qū)域探查環(huán)境較為理想。在磁測(cè)工作前,需先在管道兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)鉆孔(可與后文中工程觸探法同步實(shí)施)，成孔后放入PVC套管，然后將磁梯度探棒由上至下(0.1 m為間隔)進(jìn)行感應(yīng)，當(dāng)燃?xì)夤艿涝谔桨?20 cm范圍內(nèi)，感應(yīng)探頭儀就會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，同時(shí)地面人員測(cè)量記錄不同深度下對(duì)應(yīng)的磁梯度值，根據(jù)最終的磁梯度探測(cè)曲線可大概確定管道的埋深、位置。圖3,圖4分別為汾河?xùn)|、西岸燃?xì)夤芫€與旋噴樁施工軸線交點(diǎn)的磁梯度探測(cè)曲線，圖3顯示汾河?xùn)|岸燃?xì)夤芫€的管中心埋深為8.70 m，管道埋設(shè)范圍8.20 m～9.00 m，圖4顯示汾河西岸燃?xì)夤芫€的管中心埋深為10.50 m，管道埋設(shè)范圍為10.00 m～10.75 m。

3.3 工程觸探法

為進(jìn)一步確定管道的準(zhǔn)確位置及埋深，本次探測(cè)中使用工程觸探法進(jìn)行物理觸碰復(fù)核和修正上文探測(cè)的數(shù)據(jù)。工程觸探法是使用一套水鉆法設(shè)備進(jìn)行鉆孔施工，按照探管儀探測(cè)的管道走向及水平管位，以管線橫斷面作為鉆機(jī)鉆進(jìn)軸線，在橫斷面中以一定孔距依次鉆孔至管道表面，通過(guò)實(shí)體觸探的方式對(duì)燃?xì)夤芫€的位置標(biāo)高進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，同時(shí)鉆孔也可作為磁梯度檢測(cè)法的鉆孔使用。傳統(tǒng)鉆井是通過(guò)硬質(zhì)合金切削土體實(shí)現(xiàn)鉆孔的成形，但是在管線探查中，該施工方式可能會(huì)因基礎(chǔ)資料不準(zhǔn)確、施工人員經(jīng)驗(yàn)不足或預(yù)估不足造成對(duì)地下管線的破壞。本次探測(cè)中為保證管道的安全，施工方式為采用軟性鉆頭的水壓沖擊鉆井新工藝，在采用高壓水沖擊土層的同時(shí)，需進(jìn)行泥沙的及時(shí)抽取，保證鉆桿依靠其重力自行下鉆，而采用泥漿護(hù)壁的方式可有效防止孔壁的坍塌。水壓沖擊鉆在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，因鉆頭前端水壓強(qiáng)度有限，會(huì)出現(xiàn)因石頭等障礙物無(wú)法破除而出現(xiàn)停頓，這時(shí)施工方應(yīng)首先結(jié)合探管儀的探測(cè)數(shù)據(jù)初步分析是否為管道，同時(shí)在現(xiàn)狀鉆孔中放入磁梯度探棒探測(cè)其是否存在較大的磁梯度變化，從而判斷障礙物的材質(zhì)，在判斷為石頭等障礙后，可臨時(shí)換裝合金鉆頭進(jìn)行破碎，然后重新使用水鉆進(jìn)行鉆進(jìn)施工。同時(shí)障礙物的破碎鉆進(jìn)過(guò)程須不斷嘗試不斷分析，萬(wàn)不可一蹴而就發(fā)生燃?xì)夤芫€的安全事故，同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中須對(duì)鉆具、鉆桿的垂直度進(jìn)行不停監(jiān)測(cè)及調(diào)整[2]，保證探查管線的數(shù)據(jù)可靠。

3.4 探測(cè)結(jié)果及實(shí)踐效果分析

根據(jù)觸探數(shù)據(jù)與磁梯度儀測(cè)量數(shù)據(jù)的比較分析，在修正管線中心頂點(diǎn)位置坐標(biāo)后，磁梯度方式探測(cè)的管線埋深符合實(shí)際觸探的結(jié)果。探測(cè)報(bào)告顯示管道坐標(biāo)誤差為±10 cm，高程誤差為±0 cm。最終，汾河南延防滲墻旋噴樁施工作業(yè)以探測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行組織施工，同時(shí)為保證旋噴樁作業(yè)過(guò)程中鉆桿的垂直，防止鉆桿傾斜損壞燃?xì)夤艿?，在施工過(guò)程中同樣進(jìn)行旋噴樁鉆機(jī)水平度及鉆桿垂直度的監(jiān)測(cè)，伴隨著最后一根鉆孔的收尾，燃?xì)夤芫€在施工過(guò)程中未發(fā)生任何險(xiǎn)情，同時(shí)也標(biāo)志著太原天然氣公司有史以來(lái)危險(xiǎn)等級(jí)最高的第三方施工作業(yè)完美落幕。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)的電磁感應(yīng)探管儀只適用于淺埋燃?xì)夤芫€的探測(cè)，超大埋深燃?xì)夤芫€的精確探測(cè)定位需采用磁梯度法、工程觸探法等多種方法綜合探測(cè)，并根據(jù)各種方法的不同優(yōu)勢(shì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證、校核，才能提高探測(cè)數(shù)據(jù)的精確度，本文所述的三種方法的有效結(jié)合，在一定程度上能解決部分區(qū)域管線精準(zhǔn)探測(cè)的難題，在燃?xì)夤芫€探測(cè)過(guò)程中具有重要的參考價(jià)值。

燃?xì)夤驹诓捎梅情_(kāi)挖施工方式進(jìn)行燃?xì)夤芫€的新建施工時(shí)，需準(zhǔn)確記錄、留存施工導(dǎo)向記錄，并盡快完善資料歸檔，確保后期查閱竣工資料的真實(shí)、可靠；對(duì)于尚未投運(yùn)之前的燃?xì)夤芫€，管線單位也可采用傳感器探測(cè)法、示蹤導(dǎo)線法和慣性陀螺儀定位技術(shù)進(jìn)行管線的精確測(cè)量，方便燃?xì)夤緦?duì)特殊敷設(shè)方式燃?xì)夤艿赖木?xì)化管理，從而為天然氣管道長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。