穿越長(zhǎng)江超深鋼質(zhì)燃?xì)夤艿浪咸綔y(cè)方法與技術(shù)的研究

常慶芳　金富

摘要： 文章主要介紹如何對(duì)其穿越長(zhǎng)江天塹，敷設(shè)于江底達(dá)20多米埋深的鋼質(zhì)燃?xì)夤艿溃谒线M(jìn)行探測(cè)方法與技術(shù)的研究，其中包括加大探測(cè)深度“探孔探測(cè)法”研究及水上如何實(shí)施管道探測(cè)與RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量、水深儀探測(cè)水深同步技術(shù)等。

Abstract： This paper mainly introduces how to study the overwater detection methods and techniques of the steel gas pipeline cross Yangtze River and lay it in the river more than 20m. These mainly includes increasing the studies of detection depth "hand-hole detection"and how to implement the water pipeline detection and dynamic RTK measurement， water depth detection and water depth synchronizing detection.

關(guān)鍵詞： 管線；超深管線探測(cè)；水上同步探測(cè)；水下天線

Key words： pipeline；ultra-deep pipeline detection；overwater synchronizing detection；underwater antenna

中圖分類號(hào)：TU996.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0091-04

0 引言

地下管線探測(cè)技術(shù)人員熟知，對(duì)埋設(shè)于地下且深度不超過5m的金屬材質(zhì)管線在其探測(cè)中，相對(duì)于非金屬管線而言，就目前探測(cè)技術(shù)水平，乃是一件易事。然而，近年來在各種市政管道建設(shè)中，當(dāng)管道需要通過街道、水溝，河流等區(qū)域時(shí)，采用開挖溝槽方式鋪設(shè)施工難度非常大，目前大多采用非開挖即俗稱“頂管”技術(shù)予以實(shí)施。為避免地下原有管線或其它隱蔽物而不得不依實(shí)際情況隨時(shí)改變鋪設(shè)方向或深度（埋深可達(dá)近10m甚至更深）。埋深的加大給以原有的金屬管線探測(cè)方法與技術(shù)提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)有效探測(cè)深度大多都在5m以內(nèi)，超常埋深管道定位和定深誤差均超過“城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程”中的限差要求，除此之外，若被探測(cè)管線穿越江河，湖泊等地段，由于有水原因給予探測(cè)帶來更大難度，為適應(yīng)市場(chǎng)需求和提高我國(guó)管線探測(cè)方法和技術(shù)水平，近年來，我公司結(jié)合具體工程開展不少方法實(shí)驗(yàn)和技術(shù)探討，在此，結(jié)合工程實(shí)例，與同仁做經(jīng)驗(yàn)介紹和技術(shù)交流并請(qǐng)指正。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程目的與任務(wù)

武漢科島地理信息工程有限公司受委托，需對(duì)敷設(shè)多年、穿越長(zhǎng)江，長(zhǎng)約800余米，直徑？準(zhǔn)711㎜（外徑）鋼管材質(zhì)的天然氣管道的平面位置和埋深的探測(cè)。

1.2 實(shí)際完成的工作量及提交的成果

本次管線探測(cè)工程實(shí)際完成探測(cè)面積達(dá)35000m2，探測(cè)燃?xì)夤芫€總長(zhǎng)為870m，管線點(diǎn)總數(shù)20個(gè)，繪制地下燃?xì)夤芫€圖一幅。

1.3 燃?xì)夤芫€周圍介質(zhì)，地球物理特征和施工環(huán)境

①燃?xì)夤芫€周圍介質(zhì)和地球物理特征。本次所需探測(cè)的金屬燃?xì)夤芫€穿越長(zhǎng)江水底界面的巖性有粉質(zhì)粘土，粉砂巖，粉細(xì)砂巖層，從巖石性質(zhì)來看，經(jīng)數(shù)萬年的浸泡和沖刷，使原本有的高阻巖石的物性變成某種程度的較低電阻率之物性，雖與需要的金屬管道仍有著較為明顯的電磁性差異，仍不失應(yīng)用電磁法進(jìn)行探測(cè)的原理基礎(chǔ)，但必定會(huì)由于介質(zhì)的電阻率減低而給以方法的應(yīng)用帶來影響，尤其是在測(cè)深和定位的精度會(huì)帶來額外誤差。然而，對(duì)我們此次探測(cè)段經(jīng)調(diào)查可幸的是其附近沒有其它隱蔽工程（例如：光纜，動(dòng)力電纜和其它金屬管線）的存在，從而給以有用信號(hào)的提取與識(shí)別帶來有利的一面。

②施工環(huán)境。施工區(qū)為長(zhǎng)江江面。本次工程必須在水流湍急波浪起伏的長(zhǎng)江水面上，對(duì)距江面深達(dá)30m～50m的江底之下燃?xì)夤艿廊S坐標(biāo)之探測(cè)，可見，無論在方法上，還是技術(shù)上都面臨著極大的挑戰(zhàn)。

2 技術(shù)難度分析與措施

2.1 技術(shù)難度分析

本次工程與以往管線探測(cè)最大的不同點(diǎn)，亦即是最大的技術(shù)難點(diǎn)在于以下三個(gè)方面：其一是超深金屬管線探測(cè)，其二是水上探測(cè)，其三是在流動(dòng)的江面上進(jìn)行探測(cè)，就必定涉及到數(shù)據(jù)采集之同步的問題。鑒于對(duì)本次探測(cè)工程所面臨的三大技術(shù)難點(diǎn)，除利用以往經(jīng)驗(yàn)外，還針對(duì)不同問題開展了方法研究。

2.2 措施

2.2.1 超深管道位置探測(cè)方法研究（探孔探測(cè)法）

我公司在以往幾年里，承擔(dān)非開挖地下管線探測(cè)工程較多，在其探測(cè)深度上做了大量的方法和技術(shù)探討與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)并取得了較好效果。在此做以介紹，同時(shí)此次長(zhǎng)江超深，水上對(duì)燃?xì)饨饘俟艿赖奶綔y(cè)亦應(yīng)用了我們積累的成果。

①探測(cè)儀器為ZB-2008型金屬管線探測(cè)儀，單線圈可轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，探其二次磁場(chǎng)水平或垂直磁場(chǎng)分量。

②探測(cè)方法。在需要探測(cè)的管道附近打探孔，將儀器的探頭做好防水絕緣處理，放入探測(cè)孔內(nèi)，逐漸接近要探測(cè)目標(biāo)管道，根據(jù)不同深度和不同水平位置探測(cè)孔內(nèi)二次場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)流變化，分析出目標(biāo)管道的位置和深度，探頭越接近管道誤差越小。

2.2.2 探測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

探測(cè)超常埋深金屬管道位置，首先在探測(cè)目標(biāo)管道（根據(jù)調(diào)繪資料）附近打一個(gè)？準(zhǔn)100㎜之勘探鉆孔，通過把儀器拾波探頭放入樁孔內(nèi)，逐漸接近管道，探測(cè)誤差會(huì)逐漸縮小，先采用“谷值法”探測(cè)，如果探頭放入樁孔后，儀器信號(hào)增益，調(diào)到比較大時(shí)，目標(biāo)管道磁場(chǎng)感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度很小或接近于零，說明目標(biāo)管道在樁孔正下方或距離很近，如果目標(biāo)管道磁場(chǎng)適應(yīng)信號(hào)有一定的值，說明目標(biāo)管道不在樁孔正下方，與樁孔有一定水平距離。通過分析比較樁孔內(nèi)多個(gè)不同深度所獲取的信號(hào)強(qiáng)度大小，可以判斷出樁孔與目標(biāo)管道的水平距離和垂直距離。通過比較不同水平位置兩個(gè)孔內(nèi)同一個(gè)深度磁場(chǎng)感應(yīng)信號(hào)大小，即可以分析出目標(biāo)管道在樁孔的方向，換而言之，亦可探出目標(biāo)管道的具體位置。

勘探孔超深地下管線位置探測(cè)示意圖如圖1所示。

上述分析方法，該公司在以往地鐵管線探測(cè)工程中（因有工程勘探孔）多次使用，解決諸多超深（達(dá)20m以上）金屬管道探測(cè)難題。由于我們掌握超深金屬管線探測(cè)技術(shù)，在其本文介紹的長(zhǎng)江水上探測(cè)燃?xì)饨饘俟艿谰筒捎昧吮炯夹g(shù)和方法并取得良好探測(cè)效果。

2.2.3 水上探測(cè)

作者以往曾在湖泊水上進(jìn)行過敷設(shè)于湖底下面距水面管埋深約6m，任務(wù)系對(duì)燃?xì)怃撡|(zhì)管道外防腐絕緣狀況檢測(cè)，方法為“PCM多頻管中電流法”。探測(cè)人員在其小船（小船被隨時(shí)拋錨固定）上進(jìn)行操作，取得良好效果。然而此次長(zhǎng)江水上探測(cè)，則是面對(duì)波濤起伏的長(zhǎng)江，根據(jù)施工環(huán)境，我們使用水上測(cè)量船配合RTK及水深儀等測(cè)量設(shè)備和水下天線進(jìn)行探測(cè)。水深儀用于指導(dǎo)水下探測(cè)天線基本隨江底地形并保持一定深度而移動(dòng)。除此之外，還可根據(jù)方法需要，隨時(shí)提供水下探測(cè)天線所需置于江中不同深度之位置，為實(shí)現(xiàn)“探孔探測(cè)法”的應(yīng)用，經(jīng)在工程所需探測(cè)段的實(shí)際模擬實(shí)驗(yàn)中，結(jié)論是：還需加大人工場(chǎng)源信號(hào)強(qiáng)度；從低頻8kHz為佳，余下的探測(cè)技術(shù)難點(diǎn)只是如何實(shí)現(xiàn)探測(cè)與RTK動(dòng)態(tài)采取坐標(biāo)數(shù)據(jù)同步問題。

2.2.4 同步探測(cè)

實(shí)現(xiàn)同步探測(cè)應(yīng)獲取的同步數(shù)據(jù)有：長(zhǎng)江水深，金屬燃?xì)夤艿浪幍钠矫嫖恢茫ǜ鶕?jù)管道二次場(chǎng)強(qiáng)度和異常形態(tài)做出判斷）和應(yīng)用RTK對(duì)燃?xì)夤艿廊S坐標(biāo)的數(shù)據(jù)采集。該項(xiàng)任務(wù)，在某種程度上是利用水魚控制天線解決了實(shí)現(xiàn)同步探測(cè)的技術(shù)關(guān)鍵。

2.2.5 實(shí)測(cè)全過程

由于該項(xiàng)工程特點(diǎn)和難度，我公司技術(shù)人員在較為堅(jiān)實(shí)的方法與技術(shù)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上開始實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)工作分兩部分進(jìn)行，即地面和水上。

①地面工作。地面工作其任務(wù)系在燃?xì)饨饘俟艿郎嫌糜跈z測(cè)“階段保護(hù)電位”的檢測(cè)樁上供以人工電場(chǎng)源，發(fā)射機(jī)型有三種，RD-8000型和RD-4000型，頻率分別為8kHz，33 kHz和65 kHz，供電電流I為 250mA，除此之外，為增加輸送電流和減小接地電阻R起見，與長(zhǎng)江對(duì)面之“陰極保護(hù)檢測(cè)樁”的金屬管道連接樁柱予以接地，故而，形成金屬管道探測(cè)的兩端回路法。此種裝置可加大探測(cè)深度，獲取真實(shí)可靠的有用異常信號(hào)。通過方法實(shí)驗(yàn)，最終采用RD-8000型發(fā)射機(jī)做為場(chǎng)流，以頻率8kHz進(jìn)行該金屬管線探測(cè)。

②水上探測(cè)。借鑒先期水上探測(cè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，作者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，將測(cè)量船速控制在每5s/m，船上使用水深儀探測(cè)江面至江底水深，獲取水深后，在水下天線確保不碰江底情況下，使用水下天線并使用測(cè)量船上的水魚控制天線行駛和所需探測(cè)位置。在根據(jù)調(diào)繪資料在其管道附近反復(fù)進(jìn)行了S型追索并同時(shí)收錄RTK之所測(cè)數(shù)據(jù)。在管線探測(cè)異常段，每個(gè)測(cè)點(diǎn)除做垂直方向探測(cè)不同深度場(chǎng)強(qiáng)外，還在垂直管線走向方向做8次來回探測(cè)確定管線平面投影位置，爾后應(yīng)用70%比值法確定埋深。

順便在此尚需提及的是在實(shí)測(cè)中，水上所用金屬管線儀接收機(jī)為RD-400型，（在地面已對(duì)RD8000型和400型接收機(jī)增益進(jìn)行了系數(shù)改正和換算）原因系所用水下天線接口僅能配用RD-400型接收機(jī)。

3 探測(cè)誤差分析及質(zhì)量評(píng)述

3.1 探測(cè)誤差分析

此次探測(cè)工程與地面金屬管線探測(cè)工程不同點(diǎn)有超深，江水和同步三點(diǎn)會(huì)造成某種程度不同的探測(cè)誤差，就其該三點(diǎn)做如下誤差分析。

3.1.1 管線探測(cè)深度誤差分析

根據(jù)《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》對(duì)地下管線埋深為0.15H（H為管幾何中心至地面高），我們應(yīng)用本文中所提出的《探孔探測(cè)法》，將此次在水中不同埋深段所采集的B1、B2甚至B3進(jìn)行了計(jì)算，即便對(duì)埋深達(dá)24m位置的管線點(diǎn)與我們通常使用的70%比值定深法，兩者獲得之深度絕對(duì)誤差亦僅在6%，由此不難看出，此次超深管線探測(cè)方法和技術(shù)是正確可行的。

3.1.2 水介質(zhì)對(duì)探測(cè)誤差分析

由上述公式不難看出，水對(duì)電磁波的傳播僅影響幅值大小（幅值減小）并不影響異常形態(tài)，說明仍可應(yīng)用地面探測(cè)的方法理論和技術(shù)。

3.1.3 同步探測(cè)準(zhǔn)確性程序的誤差分析

此次工程從方法原理和技術(shù)上，獲取電磁信號(hào)和水下天線位置的坐標(biāo)（采集應(yīng)絕對(duì)同步）。但由于客觀原因無法絕對(duì)做到。雖此次測(cè)量船行駛進(jìn)度5s/m，但依然會(huì)給水下燃?xì)夤艿榔矫嫖恢脦硪欢ǔ潭鹊恼`差。根據(jù)《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》中平面位置限差為0.10h，此次探測(cè)結(jié)果，據(jù)與甲方提供的原有調(diào)繪資料對(duì)比，我們所提供的最終成果誤差均在2.0m內(nèi)，附和《規(guī)程》平面限差之要求。

3.2 質(zhì)量評(píng)述

作者從事地下管線探測(cè)以來，在全國(guó)進(jìn)行過多個(gè)城市地下管線探測(cè)，但絕大部分系地面上進(jìn)行，雖亦做過河流、湖泊下的管線探測(cè)，但技術(shù)難度絕非與此次探測(cè)相比，為了完成這一任務(wù)，不僅在地面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還在室內(nèi)亦做了諸多方法研究。正像在“誤差”分析中所述，為了保證探測(cè)質(zhì)量，還曾在實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了方法實(shí)驗(yàn)。除此之外，還在實(shí)測(cè)中獲取大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，去偽存真，應(yīng)用可靠的數(shù)據(jù)予以成圖。最終提交成果的附合《規(guī)程》要求，得到用戶和好評(píng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次探測(cè)穿越長(zhǎng)江的水下金屬燃?xì)夤芫€僅有不足1公里長(zhǎng)，10個(gè)管線點(diǎn)，但從它所穿越之高程在-9.1m～

-22.64m之間或波動(dòng)，而水面的高程為12m，水底地面高程在6.3m和-6.5m范圍內(nèi)起伏，不僅如此，敷設(shè)管道離江底埋深亦隨之江底起伏而在12米和28米之間變化，由此數(shù)據(jù)不難看出，技術(shù)難度絕非一般。本次探測(cè)工程，對(duì)我公司亦尚屬首次，可謂是開歷史之先河。正因如此，筆者才想借貴刊一角，與同仁做技術(shù)交流，起到“拋磚引玉”之作用，以望提高我國(guó)地下管線探測(cè)水平。

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