磁梯度技术在深埋并行金属管线探测中的应用

孙士辉，朱能发，潘喜峰，徐建江，刘国辉

(1.天津市勘察院，天津 300191；2.河北地质大学 研究生学院，河北 石家庄 050031)



磁梯度技术在深埋并行金属管线探测中的应用

孙士辉1，朱能发1，潘喜峰1，徐建江1，刘国辉2

(1.天津市勘察院，天津 300191；2.河北地质大学 研究生学院，河北 石家庄 050031)

深埋金属管线是管线探测的难题，而探测并行金属管线则更是难上加难。利用地球磁场对金属管道产生磁化作用的原理，深入研究了等径与不等径并行金属管道的磁梯度场，就其梯度场的形态特征、影响梯度场的因素进行探讨；借助于计算机正演模拟了不同管径、不同磁方位角并行金属管道磁梯度场的形态，以及金属管道两侧的磁梯度曲线异常，最终达到快速识别并行管线与单一金属管线，精确判断管线位置的目的。

磁梯度；探测；深埋；并行管线

1 引 言

随着探测技术的不断发展及新方法、新仪器的应用，广大管线探测人员已经能够较好地完成浅埋管线探测任务，解决复杂场地环境下的管线探测问题，但对两端封闭的深埋管线仍束手无策。所谓深埋管线主要是由于条件限制不得不穿越诸如铁路、河流、湖泊、公路、房屋建筑等不可逾越的障碍物而采用拉管或顶管施工工艺形成的。此类管线的突出特点是埋深大，一般从五米到二十几米甚至更深，此时常规的管线探测方法无法获得其具体位置及深度。王水强等[1]介绍了利用磁梯度探测非开挖金属管线的方法；詹斌等[2]详细讨论了深埋金属管线的磁梯度探测方法，均取得了较好的效果。为此笔者深入研究，全面模拟与分析磁梯度探测方法，尤其是利用此方法充分考虑地磁要素对深埋并行管线进行精准探测，并且在有效指导钻孔布设方面做了探讨。

2 理论基础

地球周围存在着地磁场，在地磁场的作用下所有磁性体均被磁化产生自己的磁场，它们叠加在正常地磁场上，使地磁场正常分布规律发生变化，这种变化的磁场称为磁异常。本文所要研究的深埋金属管线属于强铁磁性物质，将金属管线视为水平金属管道，受大地磁场的磁化作用，在其周围区域分布有较强的磁异常，因此，可以通过观测其磁异常的变化，尤其是垂直分量Za的梯度值的分布来判定异常体的平面位置及埋深。将区域内的水平金属管道等效为无限长水平圆柱体，规定Za向下为正，I为磁倾角(本文取30°)，A为磁方位角[3,4]。

3 并行等径水平圆柱体磁梯度场理论模拟

等径并行水平圆柱金属管道空间梯度等值线图的外部形态大体上与单根金属管道的磁梯度空间等值线图类似，内部(靠近圆柱体部分)形态要比金属管线复杂，从上到下、自左至右正负梯度曲线相互穿插，且从中心至上下两方向梯度异常曲线玫瑰图由多瓣汇聚为一瓣[5]。当并行水平圆柱体南北走向时(磁方位角A=90°，磁倾角I=30°)，其磁梯度异常表现为东西两侧磁梯度异常场呈轴对称分布，异常以垂直管线轴线的断面呈现正异常、负异常相间分布，同样当并行水平圆柱体东西走向时(磁方位角A=0°，磁倾角I=30°)，其南北两侧磁异常场呈非对称分布，其空间等值断面图沿轴线发生逆时针偏转，内部异常形态发生一定程度的扭曲；当并行金属管道其他走向时其磁梯度异常场空间分布介于两者之间[6]。

为了便于比较并行金属管道不同位置剖面特征及其与单根金属管道在相同位置处产生的梯度值大小，设两水平金属管道相距50cm，坐标分别为(X=25 cm，Z=0 cm；X=-25 cm，Z=0 cm)。分别取X=0 cm(两管道中心)、X=50 cm处磁梯度剖面；同时取单一水平金属管道磁梯度剖面(X=50 cm)。

图1 并行金属管道Za梯度场异常剖面X=0 cm，A=90°，I=30°Fig.1 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=90°，I=30°

图2 并行金属管道Za梯度场异常剖面X=-50 cm，A=90°，I=30°Fig.2 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=90°，I=30°

由图1、图2、图3作比较不难看出，两圆柱体距离中心位置处剖面(X=0 cm)的梯度场大于两圆柱体外侧(X=50 cm)的场，此为两圆柱体磁梯度场相互叠加的结果，应当注意，上述情况并不是绝对的，当并行圆柱体之间距离较远时结果可能相反。同时由于两圆柱体南北走向(垂直磁化)，导致X=50 cm处磁梯度剖面形态完全一致[7]。

图3、图4分别为并行金属管道和单一金属管道在相同距离处的磁梯度异常剖面。受叠加场的作用影响，前者大于后者，因此在具备一定的前提条件下，可以利用相同距离下的磁场值相对大小判断是否存在等径并行管线。

当并行金属管道东西走向(A=0°)时，分别模拟X=0 cm、X=50 cm处的磁梯度剖面曲线。结果发现在X=0 cm处的剖面(图5)依然是标准“S”型曲线，与图3相比只是异常极值变小，依然为两个梯度场在金属管道斜磁化情况下相互叠加的磁梯度场相互抵消所致。

并行金属管道南北两侧(X=50 cm)剖面曲线与单根圆柱体南北两侧剖面类似，曲线特征依次为：从上到下依次出现正极大值、负极大值，还有一个较小的局部正极值，负极值大于正极值(图6)[8]；从上到下依次出现局部负极值、正极大值、负极大值，正极值大于负极值(图9)。

图3 并行金属管道Za梯度场异常剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.3 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=50cm，A=90°，I=30°

图4 单根金属管道Za梯度场剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.4 Single metal pipe Za cross sectional view of the gradient field X=50cm，A=90°，I=30°

图5 并行金属管道Za梯度场异常剖面X=0 cm，A=0°，I=30°Fig.5 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=0°，I=30°

图6 并行金属管道Za梯度场异常剖面X=50 cm，A=0°，I=30°Fig.6 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=50 cm，A=0°，I=30°

4 并行不等径水平圆柱体磁梯度场理论模拟

在实际情况下，不等径并行管线也是确确实实存在的，例如中压和低压燃气管线就存在并行的情况。此处对不等径并行管线进行理论模拟，两圆柱体中心坐标为X=-25 cm，Y=0和X=25 cm，Y=0。不等径并行金属管道磁梯度场空间等值线图(南北走向)的基本特征是：外部由六瓣玫瑰图正负相间组成，以X=0为轴，由于管径(磁矩)不同，左半部分磁梯度值总体大于右半部分；内部尽管梯度场玫瑰图花瓣较多，但同样表现出左面梯度值整体大于右面，且正负梯度异常相间分布。不等径并行管线的磁场为非对称场，因此其梯度场同样是不对称的。当此类并行水平圆柱体东西走向时(A=90°)，其南北两侧磁异常场呈非对称分布，其空间等值断面图沿轴线发生逆时针偏转，内部异常形态发生一定程度的扭曲。

同上节一样，分别取此模型X=0 cm(两圆柱体中心)、X=50 cm处磁梯度剖面；X=0 cm时所表示的剖面为两根圆柱体中间位置(图8)，由于是垂直磁化，因此仍能得到标准的“S”曲线，仔细观察会发现其正负极大值也大于X=50 cm位置处的极值[9]。

图7 并行金属管道Za梯度场异常剖面X=-50 cm，A=0°，I=30°Fig.7 Abnormal section map of the parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=0°，I=30°

图8 不等径并行金属管道Za梯度场异常剖面X=0 cm，A=90°，I=30°Fig.8 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=90°，I=30°

图9 不等径并行金属管道Za梯度场异常剖面X=-50 cm，A=90°，I=30°Fig.9 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=90°，I=30°

图10 不等径并行金属管道Za梯度场异常剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.10 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=50 cm，A=90°，I=30°

由图9与图10可知，由于两个梯度场的大小不同导致X=50 cm处磁梯度剖面曲线的幅值不同，即左侧剖面极值要大于右侧剖面，曲线依然是较为标准的磁梯度曲线。利用上述特征在一定条件下可以大致判断并行管线是否等径。

当不等径并行圆柱体东西走向时，在X=0处所得到的剖面已不再关于Z=0轴对称，与等径并行金属管线(图7)相比，此处所得到的曲线图不是标准“S”型(图11)，很明显受左侧水平圆柱体影响较大，与不等径并行圆柱体南北走向X=0(图8)剖面相比，其极值明显变小，说明在东西走向时两个梯度场产生了相互削减作用[10]。

图12与图13分别为X=50处的剖面曲线，与前文所有此位置处的剖面一致的特征为：从上到下依次出现局部负极值、正极大值、负极大值，正极值大于负极值(图12)。从上到下依次出现正极大值、负极大值，还有一个较小的局部正极值，负极值大于正极值(图13)。稍有差别的是左侧极值大于右侧极值， 因此利用此特征也可以判断并行管线是否等径。

图12 不等径并行金属管道Za梯度场异常剖面X=-50 cm，A=90°，I=30°Fig.12 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=-50 cm，A=90°，I=30°

图11 不等径并行金属管道Za梯度场异常剖面X=0 cm，A=0°，I=30°Fig.11 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=0 cm，A=0°，I=30°

图13 不等径并行金属管道Za梯度场异常剖面X=50 cm，A=90°，I=30°Fig.13 Abnormal section map of the unequal diameter parallel metal pipe Za gradient field X=50 cm，A=90°，I=30°

5 天津临港工业区某工程应用

天津市某电力公司拟在临港工业区渤海十路与长江道交口东北角处施工电力转角塔基础，塔基的施工场地为8 m×8 m的正方形区域，塔基为桩基础，其桩端深约25 m。经调查，该施工场地附近有两条拉管敷设的穿越景观河和道路的钢质管道(一条DN300燃气管线和一条DN200输油管线)，大致走向为NNW(北北西)，建设年限约5年，在施工场地附近埋深约5 m 至18 m之间；管线与周围介质具有较大的磁性差异，完全具备开展磁梯度探测的前提条件。

根据工作现场情况及实际需要，最终在测区内布置了两个断面(1号、2号断面)，分别布置7个、6个测孔，并进行了磁梯度探测(图14)。

图14 实际钻孔布置图Fig.14 The actual drilling layout

1号断面作为开展工作的第一个断面，为了避免遗漏管线，结合预估管线深度，布置了7个测孔，孔间距为0.5 m到1 m不等，0.5 m间距均为加测探孔，最深探孔深度25 m。通过对这7个测孔的磁梯度分析处理绘制了1号断面磁测曲线，如图15所示。

通过图15可知孔1-2、1-3、1-4、1-5、1-6和1-7均存在较明显的磁异常。首先观察测孔1-1，从上到下磁测曲线圆滑，不时有不连续单点跳跃，幅值较低，为地层矿物颗粒(如铁锰结核)所引起，未发现明显管线磁异常。于是继续完成1-2测孔，此测孔在深度约7～8 m处呈现明显磁异常——“S”型曲线，且具有负极值大于正极值的特征，因此推断管线位于此测孔的SW(南西)方向，为了捕捉管线准确位置布置1-3测孔，此测孔在钻探过程中，在深度约7.3 m处遇到不明障碍物，鉴于不损坏管线防腐层的原则，即刻停止钻探工作，磁测曲线在大约7 m处开始出现较大幅值异常，结合对上述测孔的分析，磁异常为钢制管线所在处，管线中心埋深约为7.3 m。为保证断面连续性，继续钻探得到1-4磁测曲线，异常幅值较1-2小且负异常大于正异常，异常深度与1-2大致相符合，由理论模型可推测此异常与上述异常为同一根管线的反映。1-5探孔磁测曲线出现“S”型曲线异常，异常范围为7～8.5 m左右，特征为正极值大于负极值且深度范围明显不同，显然与1-4、1-2异常不同，为另一根钢制管线反映；1-6孔异常特征与1-5孔相反，幅值较强，异常范围为7.2～8.8 m，由相关理论可知管线应位于两孔中间；1-7为加测探孔，目的为捕捉管线平面位置，在7.5 m处遇到障碍物，经仪器探测存在较大异常。综合以上三测孔，此管线中心深度约为7.8 m。

图15 1号断面磁梯度实测曲线Fig.15 The 1st section of the magnetic gradient measured curves

图16 2号断面磁梯度实测曲线Fig.16 The 2nd section of the magnetic gradient measured curves

为确保不遗漏管线，2-1测孔深度仍为25 m，此孔磁测曲线未发现明显异常。2-2测孔曲线在深度8.5～10 m范围内存在“S”型曲线异常，并且呈现负极值大于正极值异常特征，依据单根管线理论模型推断引起磁异常的潜在管线位于其南西侧。由于异常深度已基本锁定，故2-3、2-4测孔钻进深度适度变浅，2-3、2-4磁测曲线相似深度处异常特征均表现为正极值大于负极值，且2-3异常幅值大于2-4，因此钢制管线应位于2-2和2-3孔之间靠近2-3孔一侧。综合以上三孔曲线特征，此根管线中心埋深为9.1 m。2-5曲线异常幅度较小，负极值大于正极值，与2-4孔异常显然不是同一场源引起，同样推测此异常管线位于其南西侧，值得注意的是2-5孔的纵向异常范围最大，异常幅值却最小，符合并行管线中部梯度场特征，应为两根管梯度场叠加所致。2-6孔具有较大的磁异常反映，正极值大于负极值，异常幅度较2-5孔异常大，因此，引起2-5、2-6异常的管线在两孔之间，且靠近2-6孔，综上判断此管线的中心埋深为8.5 m。

6 结 语

本文非常直观地展示了并行金属管线空间断面及剖面图，总结了并行金属管线的磁梯度剖面异常特征，并与单一金属管线剖面特征做对比，得到判别平行与单一金属管线的方法，并结合工程场地实地采集所需的不同磁梯度数据处理成图，与理论模拟结果进行对比，实地验证了不同要素(磁方位角、管径等)对磁梯度场形态的影响，进而得到了深埋并行金属管道的判断方法，解决了此类管道探测的难题。

[1]王水强，黄永进，李凤生.磁梯度法探测非开挖金属管线的研究[J].工程地球物理学报,2005，2(5):353-357.

[2]詹斌，朱能发，孙士辉.基于磁梯度法的深埋管线探测技术研究[J].岩土工程技术，2012(1):67-68.

[3]成都地质学院.磁法勘探[M].北京:地质出版社，1976．

[4]管志宁,郝天珧,姚长利.21世纪重力与磁法勘探的展望[J].地球物理学进展,2002,17(2)：237-244．

[5]青海地质局物探队.垂直断面内几种二度体磁场等值线图[M].北京:地质出版社，1973.

[6]合肥工业大学地质系.磁法勘探讲义[M].北京:地质出版社，1975.

[7]申宁华.磁法勘探的科技进展[J].物探与化探，1989，13(5)：356-362.

[8]熊光楚.磁性体磁异常的解释推断讲义[M].北京:地质出版社，1977.

[9]Smith J T, Booker J R. Rapid Inversion of Two-and Three-Dimensional magnetotelluric Data[J]. JGR,1991,96(B3):3 902-3 922.

[10]管志宁.地磁场与磁力勘探[M].北京:地质出版社,2005.

The Application of Magnetic Gradient to the Detection of Parallel Buried Metal Pipe

Sun Shihui1,Zhu Nengfa1,Pan Xifeng1,Xu Jianjiang1,Liu Guohui2

(1.TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation,Tianjin300191,China；2.GraduateSchool,HebeiUniversityofGeosciences,ShijiazhuangHebei050031,China)

The detection of buried metal pipe is a difficult, and the detection of parallel metal lines is even more difficult. This paper uses the principle of magnetization of the earth's magnetic field on the metal pipeline and has a depth study on the magnetic gradient field of equal and unequal diameter parallel metal pipes. The formative characteristics and the factors affecting the gradient field are discussed. By means of a computer simulation of magnetic gradient field forms of different diameters and magnetic azimuth of parallel metal pipes, and the magnetic gradient anomalies on the sides of metal pipes, ultimately parallel lines and single metal pipe can be identified quickly, and the location of pipe lines can be determined accurately.

magnetic gradient; detection; deep buried; parallel pipe

1672—7940(2016)02—0184—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.009

孙士辉(1984-)，男，硕士，主要从事工程物探的生产及科研工作。E-mail:474222791@163.com

P631.2

A

2015-04-22