深埋非開挖管線精確定位的理論研究與實踐

朱元彪，陳恒

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

非開挖技術，即采用非開挖的手段進行地下管線施工敷設的技術。它是指在不開挖或少開挖地表的情況下，對各種管線進行鋪設或更換。自該方法應用以來，因成本低，對城市運行影響少，對周邊環境破壞小以及在復雜地形地物區域的管道敷設施工效率高等方面的獨特優勢，非開挖技術越來越多地用于穿越現狀道路，江河、建筑物等地下管線施工中。

非開挖技術施工的管線不同于開挖直接埋設的管線，采用非開挖技術敷設的地下管線有以下特點:

(1)管線距離長，一般為50 m～2 000 m范圍內;

(2)埋深及埋深變化范圍均很大，一般在3 m～10 m之間，在穿越特殊地形時甚至能達到 20 m～30 m;

(3)管線軌跡不確定性大，可能是直線也可能是曲線。且對于沒有開口的如給水、燃氣、石油等管線在兩端均無露點。

因此，對此類管線的平面位置和深度的探測是管線探測的新難題。

常規的管線探測儀，通常用于解決埋深小于3 m的封閉管線探測問題。對于大埋深的非開挖管線來說，以埋深10 m為例，使用磁力儀，探地雷達，通過單一的磁梯度儀可以較為準確地解決埋深問題，埋深精度可達±0.4 m～±1 m，平面探測精度一般為±1 m。對于某些特定工程以及軌道施工來說，更高的精度意味著更精準的方案和更高的成本。本文根據管線施工的特點，對不同埋深，不同管徑的管線采用電磁法、磁梯度法、觸探法的組合方法，成功解決了各種特深管線的精確定位問題。

2 電磁感應法及其局限性

電磁感應法作為最常用的地下管線探測方法，主要通過地下管線與周圍介質的導電性和導磁性差異，根據電磁感應原理分析電磁場空間分布規律從而實現對地下金屬管線定位的目的。對地面發射裝置供以某一頻率的交流電電流，稱一次電流，從而在地下產生交變磁場，稱一次磁場。地下管線在交變磁場的電磁感應作用下產生的電流，稱二次電流。地面接收裝置測定二次電流所產生的交變磁場，來解算地下管線的空間位置。亦可把供電電極兩端一級接到金屬管線和另一極在遠端接地，探測基本原理與電磁感應法一致。

假設地下無限長導體對應地面投影產生的磁場強度分量為HX、垂直分量為HZ。則有:

式(1)、(2)中:I為導體中的電流強度，單位為A，X管線中心與地面觀測點的水平距離，h為管線的埋深，單位均為m，HX、HZ的單位為A/m。在地下管線埋深分別為1 m、2 m、3 m、5 m的情況，假定供電電流I為2πA，HX、│HZ│的剖面理論曲線分別為圖1、圖2所示。

圖1 HX剖面理論曲線

圖2 │HZ│剖面理論曲線

從圖2可以看出:在供電電流一定的情況下，隨著埋深增加，HX的最大值急劇下降。當地下管線埋深大于3 m時，HX曲線趨于平緩，無法找到最大值點。

從圖3可以看出:在供電電流一定的情況下，當地下管線埋深小于3 m時，│HZ│曲線以較大的斜率過原點，管線的兩側上方│HZ│有極大值。當地下管線埋深大于3 m時，曲線以平緩的斜率過原點，無法辨認│HZ│極大值。

一般情況下，并非所有金屬管線探測儀都能探測長距離、深埋(埋深〉4 m)的管線。通過使用較大發射功率的儀器，采取遠端直連接地，增加功率和電流和施加低頻信號探測等措施可以增加一般管線探測儀的極限深度，為精確探測提供可供參考的初步數據。

3 磁梯度法探測原理

地球可視為一個兩極分別位于地理兩極附近的磁偶極子，在整個地球表面都有磁場的分布。因為地球磁極的位置時間不同發生變化，地磁場也會因時間和空間的不同而有所差異。但在某一特定工程領域內，可認為地磁場在該區域內是固定的。在沒有磁性物質干擾的空間內，其磁場強度就是地磁場，即背景場。

對于鐵磁性物質而言，由于其自身磁化率非常高，受大地磁場的磁化作用，其周邊的磁場強度比背景場或其他物質磁化產生的磁場都要強很多。對于天然分布的磁場而言稱之為磁異常。不同物體的磁性和空間分布的差異使其在空間磁場的分布特征也不同。在已知金屬管線周邊磁場分布的正演模型后，通過用專門的儀器來探測工程區域內的磁場分布，根據所測得的磁場分布特征數據匹配管線的正演模型即可推算出該管線的平面位置和深度信息。

在正演模型研究中，可以將局部區域內的水平金屬管道簡化為一個無限長水平圓柱體，如圖3所示。

磁性體沿管線方向無限延長，磁位沿管線方向無變化。因此無限長水平金屬管線在空間內各磁場分量梯度值(垂直分量Zα、水平分量Hα)的表達式分別為:

圖3 水平金屬管線正演模型

式中MS為有效磁矩，MS=JS·S;JS為有效磁化強度;S為水平圓柱體的截面積;R為水平圓柱體的中心埋深;i為有效磁化傾角。

通過本文中電磁感應原理分析可知，通過電磁法探測埋深很深的管線是不太可行的。但是通過在管線周邊鉆孔，將磁梯度儀放置于孔內，在垂直方向上測量金屬管線垂直方向上的Zα曲線變化，效果較為明顯。

圖4為水平金屬管線同側不同水平距離垂直剖面上的Zα值的理論變化曲線。假設水平金屬管道的中心位置投影到地面上的零點，管中心上下各5 m，距離管線中心水平距離分別為0.5 m，1 m，1.5 m，2 m所建立模型后得到的垂直磁梯度正演理論曲線。從圖4可以看出，在接近金屬管道的鉆孔內，Zα值隨深度的變化非常明顯，在1.5 m以外的部分，Zα值幾乎無變化。

圖4 無限長金屬圓柱體在垂直剖面上的Zα梯度值理論曲線

4 觸探

在通過其他參考資料或者輔助技術手段對管線位置粗略探測后即可采用觸探方式將其精確定位。沿垂直管線走向截取該管線可能存在空間的橫斷面，在該橫斷面位置以某一間距依次鉆孔至接觸被測物體表面來探測被測物體的平面位置和埋深信息。當對被測物定位精度要求很高時，用多個觸探定位點擬合被測物體幾何形狀能取得很好的效果。

然而隨著管線埋深的加大，觸探難度也隨之急劇增加。對于埋深較深的管線，首先其平面位置本身有著很大的不確定性;其次管壁兩側邊緣處切線斜率很大，即使接觸到管線也可能沿著管壁滑下，造成管線不在此處的“假象”;即使明確知道管線位置，也很難保證鉆孔的垂直度，鉆孔平面位置常會產生鉆孔深度10%甚至更大的偏差，從而導致觸探點點位數據和管線幾何形態無法擬合。為實現精確鉆孔并接觸管線表面，可采取以下措施:

(1)保證鉆孔時鉆桿的垂直度

在鉆孔前用全站儀對擬采用的各個鉆桿進行校驗，鉆孔時用兩臺或多臺全站儀在鉆孔前及鉆孔時對鉆桿進行多方位實時校正。實踐證明此方法能將鉆桿平面位置偏移控制在鉆桿長度的1%以內。

(2)分析管線可探測區間

充分考慮管線兩側可能出現側滑的區間及鉆孔的最大傾斜度，結合待探測管線的管徑，在假設管線位置為已知的情況下，精確計算出管線對應地面可探測區域范圍。

(3)合理布設斷面

根據(2)中推算的管線和探測范圍，結合勘探現場實地情況，設置一定的重疊度布設斷面，即可實現幾乎各種管徑管線的精確觸探。

5 應用實例

寧波市某區天然氣供氣主管線，其平面位置橫穿寧波市軌道交通2號線一期工程設計的4條軌道線路，如圖5所示。該管道管徑為273 mm，采用非開挖頂管施工工藝，埋深變化差異大，無準確可靠的埋深數據，在軌道線范圍內最大埋深處約為10 m，與軌道的兩條設計輔線標高十分接近，為確保盾構施工安全，需要對此管線進行精確探測。

鑒于該項目的特殊性，筆者采用了磁梯度法探測與觸探相結合的探測方式。在垂直于管線方向布設了3個斷面，在各斷面處進行鉆孔探測(斷面1鉆孔K3、K4、K5，斷面 2 鉆孔 K1、K2，斷面 3 鉆孔 K10，K11，K12，K13)，成孔后將PVC套管下到鉆好的孔中，把磁梯度儀放入PVC套管管底，以0.1 m的間隔從孔底開始依次往上測量各點的磁梯度值。圖6、圖7、圖8分別為斷面1、斷面2、斷面3處磁梯度探測曲線。

圖5 磁梯度斷面布設示意圖

圖6 斷面1的磁梯度曲線

圖7 斷面2的磁梯度曲線

圖8 斷面3的磁梯度曲線

根據磁梯度曲線可以看出:

斷面1標高-1.90 m～-3.90 m部位，磁梯度值劇烈波動，燃氣管的中心在標高 -2.90 m處(埋深約6 m)。

斷面2標高-4.00 m～-6.40 m部位，磁梯度值劇烈波動，燃氣管的中心在標高 -5.60 m處(埋深約9.5 m)。

斷面3標高-4.90 m～-6.90 m部位，磁梯度值波動明顯，燃氣管的中心在標高 -5.90 m處(埋深約10 m)。

根據設計要求，在斷面3處采用觸探方法進一步精確定位管線位置。由于該管線管徑小(僅為0.27 m)，埋深大(約為10 m)。綜合考慮管徑、埋深、不可觸探區間(鉆孔時因管線兩側因幾何曲線斜率較大鉆頭易從管壁滑下的區間)、鉆頭尺寸及鉆孔垂直度等影響因素，在假設管線中心平面位置的情況下可模擬計算出管線中心對應地面可探測范圍。以本項目埋深10 m，管徑0.27 m，鉆頭尺寸0.09 m的探測為例，模擬后得出管線對應地面可探測區間為垂直于管線走向0.176 m，考慮可能存在的其他因素的影響根據可探區間設置30%的重疊度即以0.12 m為間隔在磁梯度斷面間加密。如斷面3 K11所示最終實現大埋深小管徑的觸探，測得管線中心標高為 -5.85 m。

6 結語

深埋管線的精確定位是地下工程設計施工過程中新的難題，常規的一些探測手段對深埋管線的精確定位束手無策。磁梯度法探測能夠精確、快速探測深埋金屬管線，取得了的良好的效果。在一定程度上解決了管線探測的問題，但同時磁梯度法探測相關理論不夠完善，操作方式無固定標準，受管徑、磁化傾角等因素影響，探測誤差也有一定未知性。觸探作為磁梯度探測的一種驗證的探測手段，一方面能驗證磁梯度探測結果，另外一方面通過磁梯度法和觸探的探測方法相結合，能進一步提高探測精度，將埋深誤差控制在±10 cm以內。在精密地下工程中有很強的使用意義。

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