超大埋深燃氣管線精準探測技術研究與實踐

白雪峰

(太原天然氣有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

隨著我國燃氣行業的快速發展，非開挖敷設管道技術普遍進入了燃氣管道施工的領域，得益于該項技術不需要開挖地面的優勢，在燃氣管道穿越公路、鐵路、河道、農作物及植被保護區等不具備開挖施工的障礙節點時，非開挖技術極大的滿足了管線施工的需求,在節省大量投資的同時，保證了施工的效率和工期。以太原天然氣公司C字形高壓環網為例，其主要依托城市環網高速道路進行敷設，在經過不具備開挖條件的特殊地段時，均采用頂管或水平定向鉆進行施工，管線在經過太原汾河段的埋深范圍可達5 m～25 m。鑒于太原市南移西進城市擴建戰略的實施，原處于太原郊區的南環高壓管線也迎來了周邊基礎設施的建設高峰，第三方施工作業與深埋的高壓燃氣管線的交叉作業也不可避免，為了有效的保護燃氣管線的安全運行，目前太原天然氣公司對于淺埋深地下管線的非開挖探測，采用的是基于電磁感應原理的探管儀，但是由于探管儀地面接收裝置所測定的管道交變磁場會隨著敷設深度的增加出現急劇衰減，所以在使用探管儀探測埋深較大管線時，探測精度低、可靠性差的特性只能作為參考使用，不可完全作為第三方施工前的管線交底數據使用。因此，超大埋深天然氣管線的精確探測成為了燃氣公司急需解決的課題。

本文以太原市汾河南延項目防滲墻施工作業與太原天然氣公司南環高壓DN600燃氣管線交叉進行說明，通過采用電磁感應法、磁梯度法、工程鉆探法對深埋天然氣管道精確探測方法進行研究，為日后超大埋深燃氣管線的探測提供技術參考。

2 探查區域情況

汾河太原城區段治理三期工程，北起汾河二期南延工程末端(祥云橋南500 m)，南至晉祠迎賓路南2 000 m，全長約12 km。在進一步改善太原市生態環境的同時，也將作為2019年第二屆全國青運會水上運動比賽項目的場地使用。施工區域內現敷設有DN600 (3PE螺旋縫雙面埋弧焊鋼管)天然氣高壓管線，敷設施工方式為水平定向鉆，運行壓力1.8 MPa～1.9 MPa。為防止汾河蓄水后水體向外滲漏，汾河東西岸均采用旋噴樁施工工藝的地下連續防滲墻，因高壓管線為橫穿汾河，故防滲墻施工作業與燃氣管線存在垂直交叉，且防滲墻的施工深度大于管線埋深，防滲墻施工方案要求在確保地下防滲墻有效連接的同時(噴漿鉆頭間隔為60 cm)，對管道進行水泥砂漿的包封處理，鑒于施工過程對于燃氣管道定位的要求精度特別高(見圖1)，管道探測的精確度成為了保證管線安全最重要的方面。

3 探測方式原理及要點分析

目前對于地下管道可根據管線是否有敞口分為封閉管線和非封閉管線兩類，結合探測設備能否進入管道內部的區別又可分為可穿線管道和不可穿線管道兩類，可穿線管道即是敷設于套管內的電力、通信等管線，探測設備可進入管道內部對管道走向埋深進行測量，非封閉的管線探測可采用傳感器探測法、示蹤導線法和慣性陀螺儀定位技術，而高壓燃氣管線作為壓力等級較高的封閉管線，非封閉管線的探測方式是無法適用于燃氣管線的，故本文不進行探討分析。同時《城鎮地下管線探測技術規程》中3.0.15第三條明確規定：嚴禁在燃氣管道使用釬探進行探測，所以目前燃氣管線的探測方式有電磁感應法、地質雷達法、高密度電法、地震波法、鉆孔磁梯度法、工程觸探法等，其中工程鉆探法在鉆進過程中不得損壞燃氣管道防腐層。

根據相關研究中不同探測方法準確性、可靠性、適用性的研究[1]，電磁感應法、地質雷達法、高密度電法、地震波法均為表層探測法，相關探測數據存在精度上的誤差，僅能確定燃氣管道的大致范圍，無法滿足本次施工作業超高精度的要求，故最終探測方案在綜合考慮探測區域環境及探測成本后，將探管儀(電磁感應法)作為管線平面位置及埋深進行基本定位的方式，然后結合鉆孔磁梯度法對燃氣管線水平位置及埋深進一步準確定位，同時應用工程觸探法對探測數據進行物理層面的復核和驗證，從而保證探測結果的準確無誤，切實保障地下燃氣管線的安全。

3.1 電磁感應法

電磁感應法作為最常用的地下管線探測方法，地下管線具有較好的導電性、導磁性，金屬管線一般具有中等以上強度的磁性，其與周圍介質的導電性和導磁性存在一定的差異性。當探管儀對燃氣管線施加一定頻率和適當強度的交變電磁場后，燃氣管線與大地之間便有相應的交變電流通過，該交變電流在其周圍空間產生相同頻率的交變電磁場，即在目標管線周圍形成二次交變電磁場異常，探管儀接收裝置通過分析電磁場空間分布規律并檢測燃氣管線的異常，便能確定目標管線的位置，從而實現對地下金屬管線定位的目的。探測方法分為主動源和被動源方法，其中主動源法包括直接法、夾鉗法、感應法。本次探測過程中，由于過河段燃氣管線在汾河兩岸設置有埋地閥門，探管儀的發射裝置可采用直接法與燃氣管線進行連接，同時接觸點應使用砂紙進行必要的除銹打磨，保證接觸效果良好。在探測過程中可通過使用較大發射功率的儀器，施加低頻信號等措施可以增加管線探測儀的極限深度，為后期精確探測提供可供參考的數據。

3.2 鉆孔磁梯度法

地球自身是一個大的磁性體，在地球上的各種地層、巖體都不同程度的存在一定的磁性，磁性的強弱與地層的物質結構、形成年代等具有密切關系，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。在沒有外界磁性物質干擾的情況下，其磁場強度就是地磁場，即背景場。對于采用鋼質材料的燃氣管線，由于其自身磁化率較高，受大地磁場的磁化作用，將會在其周圍分布有較強的感應磁場，管道周邊的磁場強度會高于背景場或其他物質磁化產生的磁場，從而產生磁異常，而在遠離管線管頂上部、管底下部的區域磁場強度又會回歸到背景場，針對燃氣管線垂向的磁梯度分布的特點，通過量測燃氣管線側面磁梯度值變化，可以區別和分析不同磁性異常體的磁性和空間分布，從而確定燃氣管線的實際埋設深度(見圖2)。

本次探測區域地處汾河河道內(沙土地質)，周邊未發現有電塔等干擾設施，且地下經前期勘察無其他管線，故探查區域探查環境較為理想。在磁測工作前,需先在管道兩側設置兩個鉆孔(可與后文中工程觸探法同步實施)，成孔后放入PVC套管，然后將磁梯度探棒由上至下(0.1 m為間隔)進行感應，當燃氣管道在探棒 20 cm范圍內，感應探頭儀就會發出蜂鳴聲，同時地面人員測量記錄不同深度下對應的磁梯度值，根據最終的磁梯度探測曲線可大概確定管道的埋深、位置。圖3,圖4分別為汾河東、西岸燃氣管線與旋噴樁施工軸線交點的磁梯度探測曲線，圖3顯示汾河東岸燃氣管線的管中心埋深為8.70 m，管道埋設范圍8.20 m～9.00 m，圖4顯示汾河西岸燃氣管線的管中心埋深為10.50 m，管道埋設范圍為10.00 m～10.75 m。

3.3 工程觸探法

為進一步確定管道的準確位置及埋深，本次探測中使用工程觸探法進行物理觸碰復核和修正上文探測的數據。工程觸探法是使用一套水鉆法設備進行鉆孔施工，按照探管儀探測的管道走向及水平管位，以管線橫斷面作為鉆機鉆進軸線，在橫斷面中以一定孔距依次鉆孔至管道表面，通過實體觸探的方式對燃氣管線的位置標高進行準確判斷，同時鉆孔也可作為磁梯度檢測法的鉆孔使用。傳統鉆井是通過硬質合金切削土體實現鉆孔的成形，但是在管線探查中，該施工方式可能會因基礎資料不準確、施工人員經驗不足或預估不足造成對地下管線的破壞。本次探測中為保證管道的安全，施工方式為采用軟性鉆頭的水壓沖擊鉆井新工藝，在采用高壓水沖擊土層的同時，需進行泥沙的及時抽取，保證鉆桿依靠其重力自行下鉆，而采用泥漿護壁的方式可有效防止孔壁的坍塌。水壓沖擊鉆在實際鉆進過程中，因鉆頭前端水壓強度有限，會出現因石頭等障礙物無法破除而出現停頓，這時施工方應首先結合探管儀的探測數據初步分析是否為管道，同時在現狀鉆孔中放入磁梯度探棒探測其是否存在較大的磁梯度變化，從而判斷障礙物的材質，在判斷為石頭等障礙后，可臨時換裝合金鉆頭進行破碎，然后重新使用水鉆進行鉆進施工。同時障礙物的破碎鉆進過程須不斷嘗試不斷分析，萬不可一蹴而就發生燃氣管線的安全事故，同時鉆進過程中須對鉆具、鉆桿的垂直度進行不停監測及調整[2]，保證探查管線的數據可靠。

3.4 探測結果及實踐效果分析

根據觸探數據與磁梯度儀測量數據的比較分析，在修正管線中心頂點位置坐標后，磁梯度方式探測的管線埋深符合實際觸探的結果。探測報告顯示管道坐標誤差為±10 cm，高程誤差為±0 cm。最終，汾河南延防滲墻旋噴樁施工作業以探測報告數據進行組織施工，同時為保證旋噴樁作業過程中鉆桿的垂直，防止鉆桿傾斜損壞燃氣管道，在施工過程中同樣進行旋噴樁鉆機水平度及鉆桿垂直度的監測，伴隨著最后一根鉆孔的收尾，燃氣管線在施工過程中未發生任何險情，同時也標志著太原天然氣公司有史以來危險等級最高的第三方施工作業完美落幕。

4 結語

常規的電磁感應探管儀只適用于淺埋燃氣管線的探測，超大埋深燃氣管線的精確探測定位需采用磁梯度法、工程觸探法等多種方法綜合探測，并根據各種方法的不同優勢對結果進行相互驗證、校核，才能提高探測數據的精確度，本文所述的三種方法的有效結合，在一定程度上能解決部分區域管線精準探測的難題，在燃氣管線探測過程中具有重要的參考價值。

燃氣公司在采用非開挖施工方式進行燃氣管線的新建施工時，需準確記錄、留存施工導向記錄，并盡快完善資料歸檔，確保后期查閱竣工資料的真實、可靠；對于尚未投運之前的燃氣管線，管線單位也可采用傳感器探測法、示蹤導線法和慣性陀螺儀定位技術進行管線的精確測量，方便燃氣公司對特殊敷設方式燃氣管道的精細化管理，從而為天然氣管道長期安全、穩定運行奠定良好基礎。