地下金屬管道定位測量及鋪設過程監測測量

林祖源

（惠州市惠陽區城市測量隊，廣東 惠州 516000）

大多數地下金屬管道的鋪設環境都比較惡劣，地理環境并不單一，樓區和村落是地下金屬管道較為常見的鋪設地點，地理環境就決定了管道鋪設的難易程度，相較于在空曠的地帶埋設金屬管道，受到地理條件的限制，對管道折點的埋設就難上加難[1]。并且大部分的金屬管道相較于聚合材料的管道，更容易受到損害，一旦發生破裂斷裂的情況，管道破裂輕則導致財產受損，重則導致人員傷亡[2]。而管道的防腐層只涂在管道外側，在鋪設過程中，外側的地下金屬管道容易受到劃損和破壞，就會產生相當一部分雜散電流，由于電流的產生造成化學反應加劇，對地下金屬管道的腐蝕效果會翻倍，從而導致地下管道穿孔破損。因此，對地下金屬管道的分布情況進行把控很有必要。從前對管道分布的定位，通常需要借助竣工圖紙進行確定，包括詢問當時施工的相關人員，但人的大致記憶并不足以對金屬管道精準定位。由于地下管道鋪設后，在后續過程中難以進行挖掘監測，并且施工現場開挖工作量都不小，所以對地下金屬管道進行定位和測量就十分重要，在鋪設的初始階段，就對管道位置進行把控，對后續地下金屬管道的維護和檢修都有好處，能夠幫助工作人員進行故障點鎖定，省去對金屬管道定位的麻煩[3]。

1 地下金屬管道定位測量

1.1 檢測地下金屬管道的走向

首先將測量區域的地下金屬管道走向進行劃分，對每組的金屬管道分別配置4個傳感器，通過運動方程對液體、固體邊界條件進行確定，根據震動理論對涉及結構中的聲波進行測量，理解固體結構的內力變化，并對振動發生土壤位移進行監測，從而進行推導金屬管道的走向，描繪地下金屬管道柱坐標系下的管道，如圖1所示。

圖1 坐標系下的金屬管道

設金屬管道殼體的向性相同且管道內部為均勻厚度。金屬管道的軸向為X，金屬管道徑向為r，金屬管道軸向為α，測量金屬管道殼中面到中心軸的位移，設b為管道的半徑，h為金屬管道的壁厚度，計算管道的徑厚比，得到h/b＜1。對金屬管道管壁的軸向位移u進行測量，設管道的周向位移為v，管道向下的徑向位移分別為w。通過建立簡單的管道模型，根據公式：

對比空心管道與剛性壁圓柱管的波數分析結果，根據分析記過對彈性管波充液數μ進行計算，分析金屬管道的震動對稱波形，疊加每個模態的管道向量，分別測量低頻與高頻時的模態變量數據，根據管內流體的禍合效應對泊松比系數進行分析。對金屬管道內頻率較強的禍合效應進行記錄，當徑向震動系數增加時，對截至頻率測量。測量相速度的具體數據，根據殼體承載能力的大小，對兩者之間的模態競合進行比較。大部分殼體的承載能力受到徑向運動的影響，從而呈現出金屬管壁的剛性正向上升，也使得徑向震動能夠達到預期的幅度要求。

1.2 檢測地下金屬管道的埋深

對地下金屬管道的埋深進行測量，測量得到數據等同于管道中心軸線到地表面的位移，對管道沖液的情況進行分析。當地下金屬管道埋深1米時，對周圍土壤軸向位移放大系數幅值和相位進行測量，將土壤徑向位移系數進行放大，得到第二幅值和相位圖。其中地下金屬管道的土壤軸向和徑向位移達到的波動不符合部分要求，兩者重合的幅度值與剪切波想死，且在高頻段幅度值的壓縮下頻段呈現出減小趨勢。對于部分相位跳變的局部位移情況，通過彈性波的正向發展距離，可以進行位移干涉現象的解釋。通過對對稱流體波速的測量，得到具體波速數據為512m/s。根據聲波反射原理對剪切波波速進行測量，測得剪切波為298m/s。根據折射定律對壓縮波波速進行測量，測得結果為1477m/s。由此可見，在全反射的作用下，壓縮波難以對土壤中的物質產生輻射效果，恰恰相反，由于軸對稱流體作用，波速較小的剪切波可以對土壤中的目標物質產生輻射效果。根據測量的土壤位移距離，整理得到公式：

其中D為地下管道埋深，P為管道表面積，mc為地下金屬管道半徑，kd為地下金屬管道測量點右側縱坐標，kd+1為地下金屬管道測量點左側縱坐標，H0為地下管道測量點輻射系數，h為地下位移阻抗系數，根據土壤位移計算地下金屬管道的埋深，根據埋深的具體數據，進一步確定測量地下金屬管道設備的設置位置，進行地下金屬管道橫縱坐標的測量。

1.3 測量地下金屬管道定點坐標

通過對地下金屬管道的埋深確定，在測量地下金屬管道定點坐標時，通過運用地下測量設備，判斷金屬管道的相應位置。將電能的發電機連接發射機的輸入端，對發射機輸出端的供入點進行信號測試，確保端點之間的連接無誤，供入點的另一端與地級相連，構成完整的一套信號接收發射體系，通過對管道發射器的信號進行輸送，避免金屬管道上存在的電流信號不足，確保信號的接收。確定金屬管道埋深的地極位置后，在埋深方向20m～40m左右的位置定點，保證目標管線原理極點。對管線涂層的絕緣情況進行檢查，保證管道能夠正常使用，確保管道周圍沒有其他金屬構筑物。同時，針對電流回路的電阻范圍進行衡量，測量電路中電阻的具體數值，根據數值進行計算，可以得到地下金屬管道定點坐標的具體位置。

2 地下金屬管道鋪設過程監測測量

2.1 監測管道中心放線區域

對地下金屬管道進行鋪設時，首先要考察地下金屬管道埋置的土壤環境，土壤環境的判斷決定了監測管道的中心放線區域監測結果，常見的典型參數如表1所示。

表1 常見管道周圍土壤的性質

根據表中數據分析可知，埋設地下金屬管道周圍沙土和黏土的含量，并對其他化學元素的含量做出要求，以此判斷地下金屬管道鋪設中心放線的監測區域。

由于在鋪設管道是，中心放線區域較小，在滿足土壤性質范圍內，對放線區域的土壤進行監測，在適合埋設地下金屬管道的位置，通過對土壤位移頻率的測量，利用土壤固體波的復波數進行頻響函數的計算，對二者的結果進行對比統計，對放線的位置進行判斷。大部分管道運動的禍合效應都與管壁相關，對于管壁的位移距離進行測量，得到金屬管道內聲壓的具體數值。

2.2 監測地下金屬管道布管作業過程

通過判斷出鋪設地下金屬管道中心放線的區域，進一步對該區域內地下金屬管道布管的作業過程進行監測，首先，在地下金屬管道布管鋪設過程中，對于管道的前后連接，要求管道前后首尾相接，對于呈現出鋸齒狀分布的管道進行剔除，監測鋪設過程主要是監測在進行布管作業時，避免地下金屬管道直接接觸到土壤中的石礫，造成鋪設時管道受損，管道外壁有保護涂層，也是避免土壤位移造成涂層刮破，從而在水土酸堿的作用下，導致管道破損。其次，對地下金屬管道鋪設的進度進行監測，保證地下管道組裝焊接的速度，由于地下金屬管道對施工環境的要求很高，天氣氣溫的變化都有可能導致鋪設管道受損，因此要對地下金屬管道鋪設過程進行監測測量。

3 結語

本文研究提出了新的地下金屬管道定位測量思路，簡化了監測地下金屬管道鋪設的步驟，驗證了土壤位移與地下金屬管道埋深的關系，為實現管道的泄漏檢測提供了良好的研究基礎。

未來研究應當從充液管道的自由振動入手，對禍合震動的頻率進行分析，確定埋地充液管道系統的運作過程，推導出埋管周圍的流體波速和傳播距離，完成建立地下金屬管道監測體系。