深埋非开挖管线精确定位的理论研究与实践

朱元彪，陈恒

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315042)

1 引言

非开挖技术，即采用非开挖的手段进行地下管线施工敷设的技术。它是指在不开挖或少开挖地表的情况下，对各种管线进行铺设或更换。自该方法应用以来，因成本低，对城市运行影响少，对周边环境破坏小以及在复杂地形地物区域的管道敷设施工效率高等方面的独特优势，非开挖技术越来越多地用于穿越现状道路，江河、建筑物等地下管线施工中。

非开挖技术施工的管线不同于开挖直接埋设的管线，采用非开挖技术敷设的地下管线有以下特点:

(1)管线距离长，一般为50 m～2 000 m范围内;

(2)埋深及埋深变化范围均很大，一般在3 m～10 m之间，在穿越特殊地形时甚至能达到 20 m～30 m;

(3)管线轨迹不确定性大，可能是直线也可能是曲线。且对于没有开口的如给水、燃气、石油等管线在两端均无露点。

因此，对此类管线的平面位置和深度的探测是管线探测的新难题。

常规的管线探测仪，通常用于解决埋深小于3 m的封闭管线探测问题。对于大埋深的非开挖管线来说，以埋深10 m为例，使用磁力仪，探地雷达，通过单一的磁梯度仪可以较为准确地解决埋深问题，埋深精度可达±0.4 m～±1 m，平面探测精度一般为±1 m。对于某些特定工程以及轨道施工来说，更高的精度意味着更精准的方案和更高的成本。本文根据管线施工的特点，对不同埋深，不同管径的管线采用电磁法、磁梯度法、触探法的组合方法，成功解决了各种特深管线的精确定位问题。

2 电磁感应法及其局限性

电磁感应法作为最常用的地下管线探测方法，主要通过地下管线与周围介质的导电性和导磁性差异，根据电磁感应原理分析电磁场空间分布规律从而实现对地下金属管线定位的目的。对地面发射装置供以某一频率的交流电电流，称一次电流，从而在地下产生交变磁场，称一次磁场。地下管线在交变磁场的电磁感应作用下产生的电流，称二次电流。地面接收装置测定二次电流所产生的交变磁场，来解算地下管线的空间位置。亦可把供电电极两端一级接到金属管线和另一极在远端接地，探测基本原理与电磁感应法一致。

假设地下无限长导体对应地面投影产生的磁场强度分量为HX、垂直分量为HZ。则有:

式(1)、(2)中:I为导体中的电流强度，单位为A，X管线中心与地面观测点的水平距离，h为管线的埋深，单位均为m，HX、HZ的单位为A/m。在地下管线埋深分别为1 m、2 m、3 m、5 m的情况，假定供电电流I为2πA，HX、│HZ│的剖面理论曲线分别为图1、图2所示。

图1 HX剖面理论曲线

图2 │HZ│剖面理论曲线

从图2可以看出:在供电电流一定的情况下，随着埋深增加，HX的最大值急剧下降。当地下管线埋深大于3 m时，HX曲线趋于平缓，无法找到最大值点。

从图3可以看出:在供电电流一定的情况下，当地下管线埋深小于3 m时，│HZ│曲线以较大的斜率过原点，管线的两侧上方│HZ│有极大值。当地下管线埋深大于3 m时，曲线以平缓的斜率过原点，无法辨认│HZ│极大值。

一般情况下，并非所有金属管线探测仪都能探测长距离、深埋(埋深〉4 m)的管线。通过使用较大发射功率的仪器，采取远端直连接地，增加功率和电流和施加低频信号探测等措施可以增加一般管线探测仪的极限深度，为精确探测提供可供参考的初步数据。

3 磁梯度法探测原理

地球可视为一个两极分别位于地理两极附近的磁偶极子，在整个地球表面都有磁场的分布。因为地球磁极的位置时间不同发生变化，地磁场也会因时间和空间的不同而有所差异。但在某一特定工程领域内，可认为地磁场在该区域内是固定的。在没有磁性物质干扰的空间内，其磁场强度就是地磁场，即背景场。

对于铁磁性物质而言，由于其自身磁化率非常高，受大地磁场的磁化作用，其周边的磁场强度比背景场或其他物质磁化产生的磁场都要强很多。对于天然分布的磁场而言称之为磁异常。不同物体的磁性和空间分布的差异使其在空间磁场的分布特征也不同。在已知金属管线周边磁场分布的正演模型后，通过用专门的仪器来探测工程区域内的磁场分布，根据所测得的磁场分布特征数据匹配管线的正演模型即可推算出该管线的平面位置和深度信息。

在正演模型研究中，可以将局部区域内的水平金属管道简化为一个无限长水平圆柱体，如图3所示。

磁性体沿管线方向无限延长，磁位沿管线方向无变化。因此无限长水平金属管线在空间内各磁场分量梯度值(垂直分量Zα、水平分量Hα)的表达式分别为:

图3 水平金属管线正演模型

式中MS为有效磁矩，MS=JS·S;JS为有效磁化强度;S为水平圆柱体的截面积;R为水平圆柱体的中心埋深;i为有效磁化倾角。

通过本文中电磁感应原理分析可知，通过电磁法探测埋深很深的管线是不太可行的。但是通过在管线周边钻孔，将磁梯度仪放置于孔内，在垂直方向上测量金属管线垂直方向上的Zα曲线变化，效果较为明显。

图4为水平金属管线同侧不同水平距离垂直剖面上的Zα值的理论变化曲线。假设水平金属管道的中心位置投影到地面上的零点，管中心上下各5 m，距离管线中心水平距离分别为0.5 m，1 m，1.5 m，2 m所建立模型后得到的垂直磁梯度正演理论曲线。从图4可以看出，在接近金属管道的钻孔内，Zα值随深度的变化非常明显，在1.5 m以外的部分，Zα值几乎无变化。

图4 无限长金属圆柱体在垂直剖面上的Zα梯度值理论曲线

4 触探

在通过其他参考资料或者辅助技术手段对管线位置粗略探测后即可采用触探方式将其精确定位。沿垂直管线走向截取该管线可能存在空间的横断面，在该横断面位置以某一间距依次钻孔至接触被测物体表面来探测被测物体的平面位置和埋深信息。当对被测物定位精度要求很高时，用多个触探定位点拟合被测物体几何形状能取得很好的效果。

然而随着管线埋深的加大，触探难度也随之急剧增加。对于埋深较深的管线，首先其平面位置本身有着很大的不确定性;其次管壁两侧边缘处切线斜率很大，即使接触到管线也可能沿着管壁滑下，造成管线不在此处的“假象”;即使明确知道管线位置，也很难保证钻孔的垂直度，钻孔平面位置常会产生钻孔深度10%甚至更大的偏差，从而导致触探点点位数据和管线几何形态无法拟合。为实现精确钻孔并接触管线表面，可采取以下措施:

(1)保证钻孔时钻杆的垂直度

在钻孔前用全站仪对拟采用的各个钻杆进行校验，钻孔时用两台或多台全站仪在钻孔前及钻孔时对钻杆进行多方位实时校正。实践证明此方法能将钻杆平面位置偏移控制在钻杆长度的1%以内。

(2)分析管线可探测区间

充分考虑管线两侧可能出现侧滑的区间及钻孔的最大倾斜度，结合待探测管线的管径，在假设管线位置为已知的情况下，精确计算出管线对应地面可探测区域范围。

(3)合理布设断面

根据(2)中推算的管线和探测范围，结合勘探现场实地情况，设置一定的重叠度布设断面，即可实现几乎各种管径管线的精确触探。

5 应用实例

宁波市某区天然气供气主管线，其平面位置横穿宁波市轨道交通2号线一期工程设计的4条轨道线路，如图5所示。该管道管径为273 mm，采用非开挖顶管施工工艺，埋深变化差异大，无准确可靠的埋深数据，在轨道线范围内最大埋深处约为10 m，与轨道的两条设计辅线标高十分接近，为确保盾构施工安全，需要对此管线进行精确探测。

鉴于该项目的特殊性，笔者采用了磁梯度法探测与触探相结合的探测方式。在垂直于管线方向布设了3个断面，在各断面处进行钻孔探测(断面1钻孔K3、K4、K5，断面 2 钻孔 K1、K2，断面 3 钻孔 K10，K11，K12，K13)，成孔后将PVC套管下到钻好的孔中，把磁梯度仪放入PVC套管管底，以0.1 m的间隔从孔底开始依次往上测量各点的磁梯度值。图6、图7、图8分别为断面1、断面2、断面3处磁梯度探测曲线。

图5 磁梯度断面布设示意图

图6 断面1的磁梯度曲线

图7 断面2的磁梯度曲线

图8 断面3的磁梯度曲线

根据磁梯度曲线可以看出:

断面1标高-1.90 m～-3.90 m部位，磁梯度值剧烈波动，燃气管的中心在标高 -2.90 m处(埋深约6 m)。

断面2标高-4.00 m～-6.40 m部位，磁梯度值剧烈波动，燃气管的中心在标高 -5.60 m处(埋深约9.5 m)。

断面3标高-4.90 m～-6.90 m部位，磁梯度值波动明显，燃气管的中心在标高 -5.90 m处(埋深约10 m)。

根据设计要求，在断面3处采用触探方法进一步精确定位管线位置。由于该管线管径小(仅为0.27 m)，埋深大(约为10 m)。综合考虑管径、埋深、不可触探区间(钻孔时因管线两侧因几何曲线斜率较大钻头易从管壁滑下的区间)、钻头尺寸及钻孔垂直度等影响因素，在假设管线中心平面位置的情况下可模拟计算出管线中心对应地面可探测范围。以本项目埋深10 m，管径0.27 m，钻头尺寸0.09 m的探测为例，模拟后得出管线对应地面可探测区间为垂直于管线走向0.176 m，考虑可能存在的其他因素的影响根据可探区间设置30%的重叠度即以0.12 m为间隔在磁梯度断面间加密。如断面3 K11所示最终实现大埋深小管径的触探，测得管线中心标高为 -5.85 m。

6 结语

深埋管线的精确定位是地下工程设计施工过程中新的难题，常规的一些探测手段对深埋管线的精确定位束手无策。磁梯度法探测能够精确、快速探测深埋金属管线，取得了的良好的效果。在一定程度上解决了管线探测的问题，但同时磁梯度法探测相关理论不够完善，操作方式无固定标准，受管径、磁化倾角等因素影响，探测误差也有一定未知性。触探作为磁梯度探测的一种验证的探测手段，一方面能验证磁梯度探测结果，另外一方面通过磁梯度法和触探的探测方法相结合，能进一步提高探测精度，将埋深误差控制在±10 cm以内。在精密地下工程中有很强的使用意义。

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