楊 超

(上海元易勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201203)

1 引 言

地下管線是城市生命線，準(zhǔn)確查明已有地下管線的情況，是城市建設(shè)、設(shè)計(jì)不可或缺的基本資料，否則設(shè)計(jì)的各種地下結(jié)構(gòu)將因管線的存在而無(wú)法實(shí)施，或臨時(shí)遷改管線影響工期，或造成管線損壞產(chǎn)生事故[1]，因此，查明地下管線是城市地下工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)問題之一。

地下管線的埋設(shè)方法主要分為兩種：一種為開挖直埋式，埋深較淺；另一種為非開挖穿越式，一般埋設(shè)較深，其縱剖面呈中間深兩邊淺，中間區(qū)深度可達(dá)10 m以深。隨著非開挖管線施工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地下管道埋設(shè)深度越來(lái)越大，超深管道的探測(cè)逐漸成為城市物探的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

針對(duì)超深管線的探查，一方面要確定其平面位置，另一方面要確定其深度。由于其埋深大，管徑相對(duì)較小(DN324)，探測(cè)對(duì)象的幾何尺寸與其埋藏深度之比遠(yuǎn)小于1/10[3]，因此，常規(guī)地面物探方法集體失效。用頻率域電磁波峰法難以找到極大值、特征點(diǎn)位置[1,4]，需進(jìn)行全剖面探測(cè)并反演[1,2,4,5]；用磁梯度法探測(cè)，無(wú)需施加信號(hào)，可精確探測(cè)深度信息，誤差在±20 cm以內(nèi)，這是任何其他物探手段所難以企及的[6]，但需要知道初步平面位置。

基于此，本文針對(duì)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了剖面擬合反演與磁梯度法組合探測(cè)地下超深金屬管線的探測(cè)思路。

2 方法原理及特點(diǎn)

2.1 頻率域剖面反演法

線電流沿地下金屬管道(金屬管線)流動(dòng)，在地面形成一定的磁場(chǎng)，通過觀測(cè)該磁場(chǎng)形態(tài)可判斷地下管線的位置和深度[1]。

單條地下管線時(shí)，近似于線電流，垂直管線走向的剖面上觀測(cè)到的磁場(chǎng)水平分量Hx為：

(1)

式(1)中，Hx為磁場(chǎng)水平分量，單位：nT；x為觀測(cè)點(diǎn)距管線水平距離，單位：m；h為管線深度，單位：m；i為電流強(qiáng)度，單位：A。

Hx為磁場(chǎng)水平分量，在某一點(diǎn)x處，電流i強(qiáng)度不變，隨深度h的加大，Hx減小。在管線正上方，Hx與h成反比。理論曲線表明，地下管線深度愈大，在地面接收到的電磁場(chǎng)信號(hào)就越弱，其磁場(chǎng)水平分量的弦寬就越大，即異常峰值越平緩(圖1)，因此，實(shí)際探測(cè)中，應(yīng)直接觀測(cè)基本場(chǎng)Hx，依據(jù)曲線總體趨勢(shì)進(jìn)行擬合反演，確定管線中心位置，獲得深度信息[4]。

圖1 不同深度管線理論電磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線Fig.1 The theoretical electromagnetic field strength curves of pipelines at different depths

2.2 井中磁梯度法

磁梯度法是根據(jù)一定單位距離內(nèi)地磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來(lái)對(duì)地下管線進(jìn)行測(cè)量的一種方法。一般在均勻無(wú)磁性物質(zhì)的土層中，其磁場(chǎng)強(qiáng)度理論上為地球磁場(chǎng)，或稱為背景磁場(chǎng)，而如果在其中有鐵磁性物質(zhì)存在時(shí)，將會(huì)在其周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生磁異常。

根據(jù)徑向梯度公式[7](2)可知：磁梯度與形狀系數(shù)n，距離r密切相關(guān)，磁梯度值隨距離r的增加而衰減，當(dāng)探頭與待測(cè)目標(biāo)水平間距大于1.2 m 時(shí)，幾乎無(wú)任何變化了(圖2)，因此規(guī)范要求，測(cè)試孔與待測(cè)目標(biāo)間距宜小于1 m[8]。

(2)

式(2)中，Tr其為徑向梯度，單位：nT/m；T為磁場(chǎng)值，單位：nT；n為與磁性體形狀有關(guān)的參數(shù)，無(wú)量綱(球體n=3，水平圓柱體n=2等)；r為觀測(cè)點(diǎn)到場(chǎng)源的距離，單位：m；A為與磁性體的磁性、幾何尺寸以及磁化方向有關(guān)的常數(shù)，無(wú)量綱。

3 測(cè)線布置及數(shù)據(jù)采集

3.1 頻率域剖面反演法

1)探測(cè)位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及收集資料分析，選擇河道東側(cè)進(jìn)行頻率域剖面探測(cè)(位置見圖3所示)，剖面位置盡量避開有干擾的地段，垂直于目標(biāo)管道走向布置，長(zhǎng)度大于管線深度的2倍[4]。

2)數(shù)據(jù)采集

采用PCMx-V3大功率管線儀，供電1 A，采集磁場(chǎng)水平分量Hx，測(cè)點(diǎn)間距0.2 m，測(cè)線長(zhǎng)16 m，逐點(diǎn)觀測(cè)磁場(chǎng)值并記錄，保持接收機(jī)增益不變，數(shù)據(jù)不溢出，形成完整曲線剖面。

3.2 井中磁梯度法

1)探測(cè)位置

根據(jù)大功率結(jié)果選擇于綠化帶內(nèi)及河道內(nèi)進(jìn)行磁梯度探測(cè)(位置見圖3所示)。

圖3 電磁法剖面測(cè)線及磁梯度孔位置Fig.3 The location map of electromagnetic section survey line and magnetic gradient hole

2)數(shù)據(jù)采集

采用廊坊興爾XEGT-1磁梯度儀，根據(jù)大功率成果位置布置好鉆孔，采用人工水沖法，成孔后將PVC(PVC，Polyvinyl Chloride)管下至孔中，隨即將磁力梯度儀的探頭放到PVC管內(nèi)，從孔底部開始連續(xù)拉動(dòng)線纜，以0.1 m的間隔依次向上記錄各點(diǎn)的磁梯度值，到達(dá)孔頂后再往下探測(cè)以做校對(duì)。

由于是金屬管道(DN324)，人工水沖鉆PE鉆頭不會(huì)對(duì)金屬管道產(chǎn)生破壞，如果鉆頭正好鉆到管道上方，既確定了管道的平面位置，又得到了管道的垂直埋深。

4 探測(cè)效果分析

4.1 頻率域剖面反演法成果分析

圖4是利用大功率管線儀單端連接陰極保護(hù)樁激發(fā)信號(hào)時(shí)記錄的Hx(磁場(chǎng)水平分量)曲線。由于地下管線埋深大，在地面接收到的磁場(chǎng)水平分量異常峰值平緩，至少3 m范圍內(nèi)無(wú)法確定管線中心位置。

對(duì)圖4實(shí)測(cè)磁場(chǎng)水平分量Hx剖面，利用線電流產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)理論模型(式1)，逐步改變模型參數(shù)，使理論曲線不斷趨近實(shí)測(cè)曲線，實(shí)現(xiàn)擬合反演過程[1,4,9,10](圖5)。實(shí)測(cè)曲線與理論曲線“一致性”較好，反應(yīng)管道的平面位置在剖面起點(diǎn)4.8 m處，中心深度10.55 m。

圖5 對(duì)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)水平分量Hx曲線的擬合反演Fig.5 Fitting inversion of the measured Hx of magnetic field

4.2 磁梯度探測(cè)成果分析

分析剖面反演結(jié)果，在擬合反演的管道中心位置附近進(jìn)行磁梯度探測(cè)，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整后最終布置了YHK01、YHK02、YHK03等10個(gè)磁梯度孔，設(shè)計(jì)孔深15 m(圖3)。

孔號(hào)YHK07、YHK03、K02分別于11.4 m、11.3 m、11.8 m鉆遇管道，磁梯度曲線見圖6，YHK04位于YHK03北側(cè)，相距0.5 m，鉆至15.5 m，曲線完整，管道異常位于11.41 m，根據(jù)磁梯度探測(cè)理論，地層與管道界面處會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)強(qiáng)烈變化，從而產(chǎn)生極值變化界面，據(jù)此推測(cè)管道埋深位置。

從圖6可以看出，在接近金屬管道的鉆孔(YHK07、YHK03、K02、YHK04)內(nèi)，Za梯度值隨深度的變化非常明顯，在上、下兩部分，梯度值幾乎無(wú)任何變化，而在接近金屬管道的深度位置，梯度值變化強(qiáng)烈，猶如一個(gè)“S”型(YHK04)。在稍微遠(yuǎn)離管道的鉆孔內(nèi)，梯度值的變化幅度相應(yīng)減小，當(dāng)水平間距大于0.9 m以后，梯度值較為平緩，不易區(qū)分，甚至無(wú)任何變化(YHK06、YHK02、K03、K01)。

4.3 剖面反演與磁梯度綜合分析

從圖4、圖5可以看出，由于地下管線埋深大，在地面接收到的磁場(chǎng)水平分量至少有3 m范圍的異常峰值平緩區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)極大值等特征點(diǎn)法無(wú)法確定管道中心位置；而完整的曲線剖面有利于發(fā)現(xiàn)管線異常，并可根據(jù)曲線的圓滑、對(duì)稱來(lái)判斷是否受到外界干擾；結(jié)合線電流產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)理論模型(式1)，實(shí)現(xiàn)擬合反演，確定管道的平面位置在剖面起點(diǎn)4.8 m處，中心深度10.55 m。據(jù)此設(shè)計(jì)磁梯度孔的位置和深度，可以高精度的得到管道的空間位置(圖7)。

圖6 地下DN324管道實(shí)測(cè)磁梯度曲線Fig.6 The actual curve of magnetic gradient

圖7 地下DN324管道分布Fig.7 The distribution map of underground pipeline

5 結(jié) 論

1)地下管線埋深大，在地面接收到的磁場(chǎng)水平分量至少有3 m范圍的異常峰值平緩區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)極大值等特征點(diǎn)法無(wú)法確定管道中心位置；而完整的曲線剖面有利于發(fā)現(xiàn)管線異常，結(jié)合線電流產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)理論模型，實(shí)現(xiàn)擬合反演，結(jié)果相對(duì)可靠準(zhǔn)確。

2)依據(jù)擬合反演的結(jié)果設(shè)計(jì)孔位和深度，進(jìn)行磁梯度探測(cè)，可減少盲目性，精確獲得管道空間位置信息。

3)本次探測(cè)過程中，采用了地表間接的物探(剖面反演)方法，也采用了相對(duì)直接的探測(cè)(孔中磁梯度)方法，結(jié)果證明兩者的結(jié)論相當(dāng)一致，孔中磁梯度結(jié)果很好地驗(yàn)證了剖面反演的物探成果。