利用竖直剖面法实现超深地下管道的精确定位

张永命，肖 顺，韩 颖

(广州市天驰测绘技术有限公司，广东广州510660)

一、概 述

地下管线探测技术服务作为一个行业，从20世纪90年代开始发展。到目前为止，地下管线探测已经涉及全国所有大、中城市及部分中小城市，在城市规划、基础建设、国家地理信息系统建设等领域发挥着越来越大的作用。

目前，地下管线探测的核心技术以电磁法探测为主。这主要是由于两个方面的原因:一是我国早期地下管线除排水外绝大多数是金属材质的;二是由于电磁法探测原理最好地适应了当时技术发展条件，较其他方法率先实现了应用仪器的轻便化、探测结果的灵敏化和精确化，以及设备生产的经济化。但是传统的电磁法地下管线探测设备，只对地下埋深3～5 m以内的金属管线能够有效定位和定深。随着非开挖管线施工技术的广泛应用，地下管线埋藏愈来愈深，超过十米甚至数十米埋深的长距离穿越管线越来越多地分布在全国各地。如何准确探测这些管线的位置及深度，为后续工程设计和施工提供准确的地下空间信息，逐渐成为探测技术盲区。

竖直剖面法探测技术是笔者所在单位在水平剖面法［1］基础上独立研发的专利技术，可以实现对超深金属管线的精确定位定深。概括地讲，竖直剖面法是指在地面上用水平剖面观测法对目标管道进行预定位，然后在目标管道旁侧钻进一条竖直通道，采用分离式低频电磁波探头在通道里采集数据，并对数据曲线进行反演分析，求出目标管道位置和埋深，理论上竖直剖面法探测精度可达到0.02 h(h为目标管道距地面的中心埋深)。

二、竖直剖面法工作原理

竖直剖面法所测的信号是单根无限长线电流所产生的磁场信号，只是将平时在水平地面上测量磁场的水平分量，“旋转”90°变成测量磁场的垂直分量，如图1所示。当管道埋设很深时，在地面上所捕捉到电磁信号相当平缓和微弱(如图1灰线所示)。首先采用水平剖面法初步推断目标管道的位置(S0)和埋深(H0);然后在距离预判目标管道中心S0约0.2H0位置进行钻探(0.15H0为误差极限，故在0.2H0钻探是安全的)，钻探深度 1.2～1.3H0以保证观测到完整的竖直剖面;最后利用笔者所在单位专利探头，进行竖直方向信号检测，探头的峰值位置即目标管道的中心埋深H。

图1 超深管道探测原理图

设竖直探头读取目标管道磁场的垂直分量Hz，其公式如下

由式(1)推出:当y=H时，Hz达到最大值Hzmax=Ki/L;当y=H±L时，Hz=0.5Hzmax。由此可以推算出钻孔位距离目标管道的水平距离L(50%法)。

三、应用实例

1.竖直剖面法成功探测埋深超过20 m的超深穿越管

目标管道位于珠海市珠海大道边上的高压天然气管道，管径660 mm，材质为钢。管道埋设时为了避开村庄及河涌的影响，采用长距离顶管穿越法施工。经笔者所在单位采用水平剖面法初测及竖直剖面法精测，顶管最深处距离地面为27.1 m(误差0.6 m)。水平剖面法采用单端长距离接地法激发，640 Hz单天线接收;竖直剖面法采用单端长距离接地法激发(如图3所示)，8 kHz竖直孔中探头接收。下面列举Ri115探测点的位置图及剖面观测曲线图，以作佐证(PM8为水平剖面法编号，ZK8为竖直剖面法编号)，如图2～图5所示。

图2 Ri115位置图(管顶埋深23.60 m)

图3 单端激发工作模式布置图

图4 PM8“水平剖面法”观测曲线图

图5 ZK8“竖直剖面法”观测曲线图

2.竖直剖面法成功探测城市中心去路口下方穿越管

目标管道位于中山市南朗镇某十字路口下方，为高压天然气管道，管径660 mm，材质为钢，顶管穿越施工。目标管道埋藏深度约6～10 m，管道上方布满了各类浅部管线，如图6所示。为了准确探测有浅部干扰的超深地下管线，有效避开浅部干扰，对目标管道进行最有效激发是关键。通过方法试验，笔者最后采取双端连接方式，并在导线穿过浅部干扰管线位置时，将导线架空，以尽量避免对浅部管线的干扰，如图7所示。水平剖面法采用640 Hz频率，竖直剖面法采用8 kHz频率。实测曲线样例如图8～图9所示。

图6 目标管道分布图(紫色粗线为目标管道)

图7 双端连接工作模式布置图

图8 PM6水平剖面法观测曲线图

图9 ZK3“竖直剖面法”观测曲线图

四、结束语

1)在地表无旁侧干扰情况下，水平剖面法可以进行初步定位，但是深度误差较大。如PM8反演深度为17.7 m，经竖直剖面法精确测定为23.9 m。

2)竖直剖面法探测的磁场信号很“纯净”，可以与理论剖面曲线很好地吻合(如图5所示)。

3)竖直剖面法可以有效避开浅部管线干扰，而且目标管道埋藏越深，效果越好(如图9所示)。

4)竖直剖面法探测精度与目标管道的埋深H无关，与钻孔位置与目标管线的平距L相关，通常L=0.2H，故竖直剖面法的定位定深精度能比水平剖面法提高5倍。

5)结合水平剖面法和竖直剖面法的精确探测模式，特别适用于输油、输气管道顶管穿越方式过河、过江及交通繁华路口段的精准探测，在水面以下同样适用。

［1］张永命，肖顺.剖面观测法在超深管线探测中的应用［J］.城市勘测，2011(S0).

［2］周凤林，洪立波.城市地下管线探测技术手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［3］CJJ 61—2003城市地下管线探测技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［4］姜文青，王大成.珠海大道 HDD天然气管道的探测［J］.城市勘测，2010(S1).