梁小龍 顧小雙 姜鐵軍 王曉偉

（上海山南勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201206）

0 引言

地下管線是城市的生命線，包括給水、燃?xì)?、電力和通訊等，與居民生活息息相關(guān)。隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市地下管線越來越多，錯(cuò)綜復(fù)雜，埋深在3 m 以淺的直埋管線已基本占滿了地下淺層空間，為了避讓淺埋管線，深埋管線采用非開挖定向鉆技術(shù)，埋深多在5 m 以下，如有出入口的電力、通訊類非開挖管線，用信標(biāo)示蹤法和陀螺儀定向法探測(cè)非常準(zhǔn)確[1]，但對(duì)于兩端封閉的深埋管線（如給水、燃?xì)夂蜔崃艿赖龋?，信?biāo)示蹤法和陀螺儀定向法不適用，井中磁梯度法在探查這類管線上得到了廣泛應(yīng)用[2]。井中磁梯度法具有探測(cè)精度高、探測(cè)周期短、操作快速、資料處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，通過鉆孔將磁梯度探頭放至深埋金屬管線附近進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)地下金屬管線周邊產(chǎn)生的磁異常，從而判斷金屬管線的位置[3]。前人結(jié)合工程實(shí)例充分驗(yàn)證了磁梯度法在探測(cè)深埋管線中的有效性和準(zhǔn)確性，如通過對(duì)水平金屬管道的磁異常垂向剖面圖和磁梯度異常垂向剖面圖進(jìn)行對(duì)比研究，給出確定管線埋深的判別標(biāo)志-“S”的拐點(diǎn)，且在實(shí)際應(yīng)用中取得了理想效果[4]；在探測(cè)對(duì)軌道交通施工有影響的深埋管線時(shí)采用磁梯度法與觸探相結(jié)合的方法[5]，進(jìn)行定量分析[6]、鉆桿垂直度校正[7]和地下未知障礙物判斷，對(duì)管道進(jìn)行了精準(zhǔn)探測(cè)，驗(yàn)證了兩種方法的精確可靠性[8]；工程實(shí)例驗(yàn)證了管線埋深及水平位置的估算公式的可行性，但確定管線水平位置的誤差較大，可能與管線的尺寸有關(guān)，尚需進(jìn)一步研究[9]。

以上研究表明，磁梯度法有諸多問題尚未研究解決，如磁梯度法探測(cè)的適用性和影響范圍等。本文運(yùn)用井中磁梯度法對(duì)施工區(qū)域的深埋管線進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，并研究分析磁梯度法在探測(cè)不同管徑管道中的異同。

1 基本理論

地球本身是一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，在地磁場(chǎng)的作用下，所有具有磁性的物體都會(huì)被磁化而產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，它們疊加在正常的地磁場(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)稱為磁異常（見圖1）。

圖1 井中磁梯度法工作原理圖

2 工程案例分析

為滿足道路改擴(kuò)建工程需要，需探明浦星公路（南行港路-人民塘路）紅線范圍內(nèi)的所有地下管線。通過前期資料收集，發(fā)現(xiàn)在浦星公路橫穿中橫河位置有5 條并行的管道，分別是燃?xì)夤艿馈⒐I(yè)管道和輸油管道，均為鋼質(zhì)材質(zhì)，但管徑不一，鋪設(shè)深度范圍為5～12 m。常規(guī)的管線儀RD8000 和RD8100 通過電磁感應(yīng)法均無法探測(cè)到這些管道，美國(guó)Vivax-Metrotech 油氣管道防腐層自動(dòng)化檢測(cè)儀DM 可以通過直連法探測(cè)大埋深的管道[10]，但是由于現(xiàn)場(chǎng)沒有測(cè)試樁和閥門井，所以無法用直連法進(jìn)行探測(cè)。為了精確探查這些管道的平面位置和埋深，保證施工安全，嘗試?yán)镁写盘荻确ㄟM(jìn)行探測(cè)。根據(jù)收集資料在每根管線上布設(shè)一條斷面（見圖2）。

圖2 井中磁梯度法探測(cè)鉆孔布置平面圖

本次井中磁梯度法探測(cè)采用CCT-3 型磁梯度儀，適用地磁場(chǎng)范圍：±60000 nT（±5%），磁場(chǎng)梯度分辨率可達(dá)0.1 nT[11]。通過測(cè)量鉆孔內(nèi)由上而下各點(diǎn)垂直磁梯度值的變化，確定管道的平面位置和埋深。通過距目標(biāo)管道平面位置不同的鉆孔磁異常值來研究分析不同管徑管道的磁異常變化特征和磁響應(yīng)范圍。

2.1 管道平面位置和埋深判定

探測(cè)范圍內(nèi)按一定的間隔在5 條斷面上共布置了18 個(gè)鉆孔（見圖2），探測(cè)鉆孔采用膠皮鉆頭高壓水沖法成孔，目的是為了保護(hù)管線。鉆孔順序宜從外到中，避免直接鉆到目標(biāo)管線，當(dāng)鉆孔過程遇到障礙物時(shí)，則停止探測(cè)[11]。鉆孔完畢后將PVC 管放在孔內(nèi)，然后將磁梯度儀的探頭放到PVC 管內(nèi)，將長(zhǎng)為1.0 m 的探棒放入孔中從上至下，以0.1 m 的間隔依次測(cè)量各點(diǎn)的磁梯度值，為了保證探測(cè)精度，每個(gè)孔都重復(fù)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)磁梯度值分別整理了數(shù)據(jù)分析表（見表1），并繪制了各斷面磁梯度值實(shí)測(cè)曲線（見圖3）。

圖3 井中磁梯度實(shí)測(cè)曲線

表1 各斷面井中磁梯度數(shù)據(jù)分析

從井中磁梯度曲線可以看出，DM1 斷面Z1 和Z2 孔在7.9 m 和8.6 m 深度處磁異常達(dá)到最大值，呈現(xiàn)明顯的“S”型曲線，且Z2 孔的磁異常值大于Z1 孔，說明燃?xì)夤艿钠矫嫖恢梦挥赯2 孔東側(cè)，Z3 孔在鉆進(jìn)過程中遇到了不明障礙物，并在6.6 m 處異常值達(dá)到峰值，判斷燃?xì)夤艿赖钠矫嫖恢迷赯3 鉆孔處，管道中心埋深為7.0 m。DM2 斷面Z5、Z6 和Z7 孔均存在明顯的磁異常，Z4 和Z8 鉆孔磁異常弱。Z5和Z7 孔分別在深度11.4 m 和11.6 m 位置磁異常達(dá)到最大值，曲線為“單峰”特征，可以判斷工業(yè)管道位于該兩孔之間，而位于這兩孔之間的Z6 孔在11.7 m的位置磁異常達(dá)到最大，呈標(biāo)準(zhǔn)“S”型曲線，判斷管道應(yīng)在Z6 孔邊，據(jù)此判斷該管道的中心埋深為12.0 m。DM3 斷面Z9、Z10 和Z11 孔在埋深10.0 m左右的位置均存在明顯的磁異常，且Z10 孔磁異常更強(qiáng)，判斷管道應(yīng)在Z10 孔東側(cè)，Z11 孔在鉆進(jìn)過程中深度約10.3 m 處遇到了不明障礙物，從而判斷該工業(yè)管道的平面位置在Z11 孔處，管道的中心埋深為10.5 m。DM4 斷面Z14 和Z15 孔均存在明顯的磁異常，在6.6 m 左右深度位置異常達(dá)到峰值，推斷輸油管道的平面位置在Z14 和Z15 孔之間，更靠近Z14 孔，據(jù)此判斷該輸油管道的中心埋深為6.8 m。同理，DM5 斷Z17 孔磁異常大于Z16 孔，曲線呈標(biāo)準(zhǔn)“S”型，判斷輸油管道在Z17 孔東側(cè)。東側(cè)的Z18 孔，在鉆進(jìn)過程中深度約5.7 m 處遇到了不明障礙物，判斷該輸油管道水平位置在Z18 孔處，中心埋深為6.1 m。

綜合以上分析，要準(zhǔn)確判斷管線平面位置，除了通過磁異?！癝”型曲線特征進(jìn)行初步分析外，還需通過小螺鉆或水沖鉆等方法直接打中管道來確定其平面位置。這種確定深埋管道平面位置的方法，也是前人在研究井中磁梯度法中通常采用的方法[12]。從表1和圖3不難看出，管道尺寸對(duì)于管道平面位置和埋深的判斷也有一定的影響，需進(jìn)一步研究論證。

2.2 管徑對(duì)磁異常大小的影響和磁異常影響范圍分析

從表1中可以看出，每條斷面上鉆孔的間距是不同的，在尋找管道的過程中距離管道越近，磁異常反應(yīng)越明顯，直至接近或打中管道以確定管道的平面位置和埋深。

對(duì)比分析Z1 和Z16 孔、Z7 和Z9 孔與Z13 孔磁異常值（見表2），發(fā)現(xiàn)不同管徑的管道對(duì)于平面距離相同的鉆孔的磁異常值大小是不同的，管徑較大的管道相對(duì)于管徑較小的管道磁異常響應(yīng)更明顯。

表2 相同距離不同管徑磁異常對(duì)比

從DM2 中5 個(gè)鉆孔的磁異常值（見表1）和梯度值曲線（見圖3）中可以看出，在距離管道相同位置的Z4 和Z8 孔、Z5 和Z7 孔，磁異常反應(yīng)基本一致，但Z4 和Z8 孔基本沒有異常反應(yīng)，可以推斷CCT-3 磁梯度儀磁異常影響范圍大約為2.0 m。有研究表明在稍微遠(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1.0 m 時(shí)，幾乎無任何變化[13]。焦新華等在研究磁法勘探中距離管線中心水平距離分別為 0.5 m、1.0 m、1.5 m 和2.0 m 建立模型后得到垂直磁梯度正演理論曲線，認(rèn)為距管道中心2 m距離已經(jīng)沒有磁異常反應(yīng)[14]。這些研究結(jié)論與本文的研究成果一致，說明了探測(cè)儀器本身在利用磁梯度法進(jìn)行探測(cè)時(shí)有一定的影響范圍。

3 結(jié)論

利用井中磁梯度法和鉆孔觸探相結(jié)合的方法精確探查了跨河并行不同管徑深埋管道的位置與埋深，通過對(duì)磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，得到以下結(jié)論：

（1）驗(yàn)證了井中磁梯度法在探測(cè)深埋管道中的準(zhǔn)確性和有效性，明確了管道埋深的判別標(biāo)志，且只有鐵磁性的管道才能用該方法探測(cè)，其他不具有鐵磁性的管道需考慮用其他物探手段。

（2）隨著磁測(cè)鉆孔逐漸接近管道，磁異常曲線特征從“單峰”型變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的“S”型。距目標(biāo)管道相同距離的磁異常曲線特征相似，相同距離上不同管徑的管道所產(chǎn)生的磁異常反應(yīng)差異明顯，說明了管道尺寸對(duì)于磁異常有明顯影響，探測(cè)儀器磁異常影響范圍為2.0 m，與前人的研究結(jié)論一致。

（3）深埋管道平面位置準(zhǔn)確定位的問題有待進(jìn)一步研究。結(jié)合其他物探方法，將有助于節(jié)省探測(cè)成本，提高探測(cè)效率。

（4）建議在后續(xù)研究中建立井中磁梯度法平面位置判別標(biāo)志和模型，并對(duì)其他類型儀器的磁異常影響范圍進(jìn)行研究。