基于豎直剖面法實現近間距平行及大縱深管線的精確定位

梁 國

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510170)

1 概述

地下管線是城市的生命線，像血脈一樣滋潤著一座城市，地下管線安全也時刻影響著城市的運營發展。近年來地下管線不斷擴張發展，且缺乏相關權屬單位的有效管理，“馬路拉鏈”和“馬路蜘蛛網”時刻影響著城市的安全[1]。因此，如何準確探明地下管線的空間位置成為了地下管線安全、資料管理和城市更新建設的重要內容。

地下管線按照設施類型分為電力、電信、給水、排水、燃氣、熱力、工業管線和井蓋8大類，一般埋深小于3 m的淺層管線可通過管線探測儀(直讀法、50%法或70%法)和探地雷達準確獲取其平面位置和埋深；埋深大于3 m的管線，利用傳統方法探測會存在深度越深探測精度誤差越大，甚至無法探測的情況。由于近年來非開挖技術的充分使用，行業出現越來越多的疑難管線，陳穗生將管線探測總結為近間距平行、多電纜管線、深埋管線和非金屬管線四大難點類管線[2]。不同專家采用孔中磁梯度法、地震映像法[3]和三維軌跡慣性定位等技術解決此類疑難問題，但在某種程度上存在局限性。本文兼顧近間距平行及大縱深管線探測的難點，結合典型工程案例，利用豎直剖面法獲取精確的探測成果。

2 原理

2.1 直讀法、50%及70%法探測原理

直讀法、50%及70%法是基于FDEM法(頻率域電磁法)原理的基礎上進行金屬管線探測，獲取單一管線的空間位置信息。FDEM法應用的前提是金屬管線沿某一方向具有良好的導電性，并且金屬管線管徑遠小于其埋深，其內部通以電流后可視為線源場并在周圍產生磁場。根據畢奧-薩伐爾定理[4](磁場強度分布見圖1)，單根無限長載流直導體在地面某點G產生的磁場強度HG(A/m)為：

(1)

式中：

I——管線的電流強度，A；

μ0——真空中介質的磁導率，H/m；

r——G點到直導線的距離，m；

π——圓周率。

(2)

式中：

Hz——磁場垂直分量，A/m；

g——常量；

x——接收機與管線在平面上的距離，m；

h——接收機與管線中心的高差，m。

直讀法：無論是寬峰或是峰值模式下的接收機在目標管道正上方時，電流最大，可直接讀出目標管線的埋深。50%法：在寬峰模式下，當x=h時，峰值兩側50%處的磁場強度為峰值的一半。70%法：用x=h/2時的磁場的垂直分量和x=0時的磁場垂直分量做比值，并考慮探測儀器的下-水平分量線圈、垂直分量線圈和上-水平分量線圈。因此，可推導出：

(3)

式中，D值為接收機下上水平線圈的間距(為常量0.4 m)。根據公式3繪制不同埋深管線比值b(常量)的曲線圖，可知當0.5 m≤b≤3 m時，比值介于0.692～0.721之間，當b>3 m時，b值也逐漸增大，該方法帶來的誤差也越大，因此，70%法是適用0.5 m≤b≤3 m一種經驗值法。

2.2 豎直剖面法探測原理

豎直剖面法的探測原理是將探測水平剖面磁場的水平分量旋轉90°，變成探測磁場的垂直分量[5]。亦是測量單根無限長載流直導體的垂直磁場變化情況。其主要分為兩個步驟：

初探：找到目標管線的出漏點或測試樁，采用直連法雙端連接測試樁的工作布置，如無法兩端連接測試樁可遠端接地(盡量遠離發射源)；使用大功率設備，穩定輸出電流，提高信噪比，追蹤有效探測信號；選擇發射信號頻率低的設備，頻率低有利于遠距離傳輸[6-7]。先布置水平剖面探測線，使用50%或70%法采集磁場分量數據，間距0.2 m記錄一組數據。后續反演計算分析，得到目標管線的大致位置和埋深。

精探：得到目標管線的大致空間位置后，充分考慮初探的精度值，確保安全且能觀測到完整的豎直剖面磁場信號，在距離目標管線3 m內的位置布設孔位，孔位的深度一般為待測目標管道的深度的2倍即可。理論上鉆孔的深度值等于目標管線的深度值，但實際上勘察打孔時未必垂直，有一定的傾斜，此時應測斜，根據公式計算加以改正。

Δ=hcosθ

(4)

式中：

Δ——管線埋深，m；

h——待測目標管線的深度，m；

θ——傾斜角度；

h可以通過量取鉆桿或是直接量取孔深得出，θ可以通過鉆機傾斜系統得出，二者都為常數[8]。

鉆孔結束后，將PVC套管放入鉆孔，使用分離式探頭下穿鉆孔對磁場進行重復檢測，間距0.2 m記錄一組數據，自上而下及自下而上分別進行采集數據，分別使用0.64～33 kHZ頻率分別采集數據，后續反演計算，對比分析，得到目標管線精確的空間位置[9](豎直剖面法原理見圖2和圖3)。探頭讀取目標管線磁場的垂直分量，根據FDEM法原理，推導公式為：

圖2 雙端激發布置示意

圖3 超深管線探測示意

(5)

式中：

K——常量(當發射機電流穩定時)；

y——鉆孔改正后的垂直深度，m；

H——目標管線的垂直深度，m；

L——目標管線到鉆孔的水平距離，m。

當y=H時，Hz為最大值，當y=H±L時，根據50%法，Hz為峰值時的一半，據此可計算出L值。

2.3 孔中磁梯度法探測原理

無鐵磁性物質在土層中，磁場應該是均勻穩定的，若存在鐵磁性物體時，其周圍會分布強烈的磁異常，磁測線會發生畸變。磁梯度法就是將探測的目標鐵磁性管線等效為無限長水平圓柱體，此時，目標鐵磁性管線周圍區域分布有強烈的感應磁場，通過觀測其磁異常的畸變化，根據梯度值的分布情況來判定待測體的位置及埋深[10-11]。作磁梯度峰值衰減曲線圖(見圖4)，從圖4中發現孔中磁梯度法的局限性非常明顯，在距離帶磁性目標管線的1.0 m范圍內的探測效果較好，超過1.2 m范圍，磁梯度值無任何變化[12]。

圖4 磁梯度峰值衰減曲線示意

2.4 三維軌跡慣性定位探測原理

三維軌跡慣性定位探測是利用慣性傳感器(陀螺儀、加速計等)進行導航與制導的一種完全自主的導航定位技術，依據測量載體的加速度(慣性)及角速率，推算出載體的瞬時速度、相對位置和姿態[13]。結合管道出入口的坐標值，獲取管道三維軌跡坐標(測量原理見圖5)，該方法能獲得目標管道真實的空間三維軌跡圖。

圖5 三維軌跡慣性定位測量示意

3 工程實例

3.1 封開縣江口鎮防洪工程超深地下管線探測項目

據收集資料顯示，測區內共埋設有3條過江管道，均為金屬管道，1條燃氣管道管徑為DN219，2條污水管道直徑為DN300。3條管道近間距平行，深度均超過10 m。資料顯示燃氣管位于兩條并排污水管的左側，為了給設計和施工部門提供準確詳細的管線資料，需要對管線進行精確定位。

3.2 豎直剖面法探測

首先利用水平剖面法初測，水平剖面線間距為18～30 m，經過初探數據計算后得到管線的預定位值，然后布置鉆孔進行精探，結合項目實際情況需要布置9個鉆孔(水平剖面線及孔位布置見圖6)。

鉆孔結束后，加襯50 mm的PVC套管，對每孔測斜，獲取傾斜改正數。后將分離式探頭下潛鉆孔，使用640 Hz～33 kHz頻率自上而下及自下而上分別采集每條管的磁場數據，0.2 m記錄一組數據。外業重復觀測采集，內業大量數據重復反演推敲計算，屏蔽干擾項，獲取準確的目標管線探測資料，經過傾斜改正后獲取最終成果。

3.3 成果

本項目布設的9孔分別進行目標管線的探測，根據實際情況，每孔位至少探測1條或以上目標管線，封開縣江口鎮防洪工程超深地下管線部分孔位的探測成果曲線見圖7～圖15。

圖7 燃氣-1處觀測曲線示意

圖8 燃氣-2處觀測曲線示意

圖9 燃氣-3處觀測曲線示意

圖10 污水1-1處觀測曲線示意

圖11 污水1-2處觀測曲線示意

圖12 污水1-3處觀測曲線示意

圖13 污水2-1處觀測曲線示意

圖14 污水2-2處觀測曲線示意

ZK7處探測的燃氣-1、ZK3處探測的燃氣-2及ZK4處探測的燃氣-3成果曲線見圖7～圖9。從圖中可以得到燃氣-1管頂埋深為15.5 m、燃氣-2管頂埋深為14.7 m及燃氣-3管頂埋深為10.5 m，根據50%法分別計算出燃氣-1、燃氣-2及燃氣-3離相對應鉆孔水平間距為3.3 m、3.3 m及3.5 m。

ZK7處探測的污水1-1、ZK8處探測的污水1-2及ZK5處探測的污水1-3成果曲線見圖10～圖12。從圖中可以得到污水1-1管頂埋深為23.45 m、污水1-2管頂埋深為23.25 m及污水1-3管頂埋深為19.85 m，根據50%法分別計算出污水1-1、污水1-2及污水1-3離相對應鉆孔水平間距為2.1 m、1.7 m及9.3 m。從圖12顯示由于燃氣管道與探測的污水管線間距較窄，有一條曲線左側存在磁場變形異常，這兩條目標管道通過探測數據反復驗證對比判斷才獲取準確數據。

ZK1處探測的污水2-1、ZK6處探測的污水2-2及ZK5處探測的污水2-3成果曲線見圖13～圖15。從圖中可以得到污水2-1管頂埋深為22.65 m、污水2-2管頂埋深為19.45 m及污水2-3管頂埋深為13.05 m，根據50%法分別計算出污水2-1、污水2-2及污水2-3離相對應鉆孔水平間距為4.2 m、0.7 m及3.5 m。

4 成果對比分析

綜合計算分析封開縣江口鎮防洪工程超深地下管線探測成果曲線圖，獲取了目標超深管線的精探成果，3條管道的平面位置見圖6，最左側為1條污水管道，緊挨著為燃氣管道，2條管道間距1 m左右，最右側為另1條污水管道，2條污水管道的埋深接近20 m，完全推翻了收集資料的準確性，避免工程建設施工帶來的安全誤判。為了驗證成果的精確性，根據實際情況，每條管線鉆孔驗證1處，在管道正上方垂直鉆孔，直至觸碰到目標管線，驗證鉆孔深度經過傾斜改正后和豎直剖面探測點成果對比(統計見表1)，結果表明，成果數據可靠，探測精度滿足技術規范要求。

表1 豎直剖面探測點與驗孔成果對比 m

采用管道三維姿態測量儀對燃氣管道進行三維軌跡慣性定位，得到的成果和豎直剖面法探測成果對比(對比結果見圖16所示)。從圖中可看出，3處探測點基本貼合三維軌跡，平面位置較差最大值為0.05 m，埋深較差最大值為0.03 m。

圖16 燃氣三維軌跡圖及豎直剖面成果差值示意

考慮實際污水管道清管困難及兩端出漏點間距太遠，若采用三維軌跡慣性定位測量難度大，因此，在鉆孔ZK6采用孔中磁梯度法對污水管線進行探測(探測成果見圖17所示)，從圖中可以看出，19.55 m處存在1個磁異常值，跟探測點污水2-2的深度較差為-0.05 m。

圖17 孔中磁梯度探測成果示意

5 結語

近間距平行及大縱深等疑難管線的探測時，直接鉆孔法探測，雖直接準確得到目標管線的空間位置，但無法確保鉆到管線正上方及鉆孔垂直度達到要求，且判斷鉆到障礙物還是目標管線是一個很難判斷的課題；孔中磁梯度法亦會受到鉆孔離目標管線間距的限制；而三維軌跡管線定位需要開挖和破管，對權屬單位的管線損失是不可逆的，并且隨著目標管線越長，其誤差值越大。

豎直剖面法不受目標管線深度的影響，定位精度高，對鉆孔離目標管線間距無特殊要求，且無需要開挖破管，優勢顯著。大量數據對比分析證明成果各項指標滿足規范要求，精度高，在保障地下管線安全，近間距平行及大縱深管線疑難管線探測經驗上具有重要參考意義。

豎直剖面法是點位探測，無法生成管線的三維軌跡，對技術人員的理論和經驗判斷要求也很高，特別是在近間距平行管線時候，磁場曲線會產生變形，如何排除干擾，獲取目標管線的準確數據并不是一件易事，應不斷加強理論知識方面的學習。