擬合反演在某燃氣牽引鋼管探測中的應用

袁忠明,韋乙杰,劉彬華

(1.廣州市市政工程設計研究總院,廣東 廣州 510000；2.廣東省有色金屬地質局九三五隊,廣東 惠州 516001)

地下管線被視為城市的生命線,是城市的重要基礎設施,它擔負著傳輸信息,輸送能量及排放廢液的工作。城市在不斷發展,敷設的管線也在不斷增多,管線敷設的方式也從傳統的施工方法逐步向非開挖等高科技實用、經濟、環保、安全技術發展[1]。非開挖管線敷設深度一般在幾米至十幾米之間,有的甚至達幾十米[2,3],屬于深埋管線(深埋管線,是指其管頂埋深大于3m的管線[4]),是我國管線探測的難點問題之一[5,6,7]。本文主要闡述通過設置觀測剖面,采用磁場水平分量Hx擬合反演的方法探測某D400燃氣牽引鋼管位置和深度。

1 工程概況

在某供水管工程中,有一段D1800給水管以頂管方式穿越水道,該供水管不可避免地與一斜穿水道的現狀燃氣牽引管在紅樹林沼澤地內相交(按竣工資料,交點處燃氣管埋深約20米)。該燃氣管道在岸上沿線有清晰、連續的地面標識,但沿線無明顯點出露,且直接用管線儀感應法探測信號微弱,難以判別和跟蹤。針對鋼管低電阻、導電性強的特點,在征得燃氣管線權屬單位同意后,于附近的天然氣閥室前的陰極保護測試線施加電流,使用英國雷迪公司的RD8000管線探測儀,采用頻率域電磁法進行了探測。施加電流后,信號變得清晰,追蹤的信號與地面管線標示牌指示的線位基本一致。牽引段由于埋深增加,埋深大于3m時不宜采用極大值法獲取管線的平面位置,不宜采用儀器直讀法或80%、70%特征點法獲取埋深,擬通過設置觀測剖面,采用反演擬合的方法求取其平面位置及埋深。

2 擬合反演的原理及方法技術

(1)電流磁場

線電流沿地下管線(金屬管線或陰極保護測試線)流動,在地面形成一定的磁場,通過觀測該磁場形態可判斷地下管線的位置和深度。

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

(1)

x、h、i分別為管線的平面位置、中心深度和電流強度。

(2)觀測剖面的設置和數據

擬合反演方法的運用要有實際場值的曲線,因此必須設置觀測剖面并記錄觀測的場值數據(磁場水平分量Hx)。觀測剖面應盡量垂直目標管線的走向。根據管線的深度選擇不同的觀測點距,此次探測點距采用0.2m。選用適當的探測儀器,適當的頻率,要求觀測的參數值是可以通過正演模型計算出來。此次探測采用的儀器為英國雷迪公司生產的RD8000管線探測儀,觀測頻率為8kHz,加載電流為256mA。

3 成果分析

在岸上設置了三條測線,從東往西編號分別為1、2、3；由于場地條件的限制,紅樹林沼澤地內僅設置了2條測線,編號分別為4、5。在測線1往東,一探測點探測埋深為2.0m(管中心埋深),管徑400mm,管頂埋深度1.8m,開挖揭露管道管頂埋深1.9米,小于規范要求的0.15h埋深限差要求。

圖1 測線布置及探測成果圖

測線1觀測的磁場水平分量Hx經5點二次圓滑后見圖2中的虛線,由觀測曲線可看出,26號測點附近出現極大值,呈單峰對稱異常,形態上符合線電流產生的磁場水平分量Hx曲線特征。根據公式(1)建立空間磁場水平分量Hx的模型,經人機互動修改管線的平面位置x、中心深度h及常數K,使理論曲線(見圖2中的實線)不斷趨近實測曲線,直至擬合均方差較小,達到最佳的擬合效果,此時的擬合參數x、h即為管線的平面位置及中心深度。經擬合反演,燃氣牽引管的平面位置位于剖面1的5.0m(即26號測點)處,管中心深度3.6m,常數K的值為14.7。

圖2 剖面1磁場水平分量探測及擬合反演成果

圖3 剖面5磁場水平分量探測及擬合反演成果

同理可得測線2～測線5燃氣牽引管的平面位置及埋深,其中測線5處燃氣牽引管的平面位置位于12.0m(即26號測點)處,管中心深度為12.5m(見圖3)。各側線的探測成果詳見表1,由線性差值推算,設計供水管與燃氣管線的交點處燃氣管的埋深為10.94m,為了安全起見,探測深度誤差按30%考慮,以14.22m為燃氣管線埋深數據,建議供水管從14.22m加上足夠安全距離的深度頂管施工穿過水道。

表1 各測線擬合反演判定的管線空間數據統計

4 結束語

通過設置探測剖面,加載與卸載電流檢測對比,并采用擬合反演的方法基本探明該燃氣牽引管的平面位置及埋深。參照反演擬合法的探測成果,并考慮足夠的安全距離,設計供水管埋深調整為20m左右,從燃氣管線下方頂進,現已頂管施工完成。對于埋設深度很大的金屬管,通過設置觀察剖面記錄連續的等間距的多個觀測點,采用擬合反演的方法,結果無疑比特征點法準確得多,其成果在一定程度可用于指導工程的設計和施工。

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