超大埋深燃气管线精准探测技术研究与实践

白雪峰

(太原天然气有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

随着我国燃气行业的快速发展，非开挖敷设管道技术普遍进入了燃气管道施工的领域，得益于该项技术不需要开挖地面的优势，在燃气管道穿越公路、铁路、河道、农作物及植被保护区等不具备开挖施工的障碍节点时，非开挖技术极大的满足了管线施工的需求,在节省大量投资的同时，保证了施工的效率和工期。以太原天然气公司C字形高压环网为例，其主要依托城市环网高速道路进行敷设，在经过不具备开挖条件的特殊地段时，均采用顶管或水平定向钻进行施工，管线在经过太原汾河段的埋深范围可达5 m～25 m。鉴于太原市南移西进城市扩建战略的实施，原处于太原郊区的南环高压管线也迎来了周边基础设施的建设高峰，第三方施工作业与深埋的高压燃气管线的交叉作业也不可避免，为了有效的保护燃气管线的安全运行，目前太原天然气公司对于浅埋深地下管线的非开挖探测，采用的是基于电磁感应原理的探管仪，但是由于探管仪地面接收装置所测定的管道交变磁场会随着敷设深度的增加出现急剧衰减，所以在使用探管仪探测埋深较大管线时，探测精度低、可靠性差的特性只能作为参考使用，不可完全作为第三方施工前的管线交底数据使用。因此，超大埋深天然气管线的精确探测成为了燃气公司急需解决的课题。

本文以太原市汾河南延项目防渗墙施工作业与太原天然气公司南环高压DN600燃气管线交叉进行说明，通过采用电磁感应法、磁梯度法、工程钻探法对深埋天然气管道精确探测方法进行研究，为日后超大埋深燃气管线的探测提供技术参考。

2 探查区域情况

汾河太原城区段治理三期工程，北起汾河二期南延工程末端(祥云桥南500 m)，南至晋祠迎宾路南2 000 m，全长约12 km。在进一步改善太原市生态环境的同时，也将作为2019年第二届全国青运会水上运动比赛项目的场地使用。施工区域内现敷设有DN600 (3PE螺旋缝双面埋弧焊钢管)天然气高压管线，敷设施工方式为水平定向钻，运行压力1.8 MPa～1.9 MPa。为防止汾河蓄水后水体向外渗漏，汾河东西岸均采用旋喷桩施工工艺的地下连续防渗墙，因高压管线为横穿汾河，故防渗墙施工作业与燃气管线存在垂直交叉，且防渗墙的施工深度大于管线埋深，防渗墙施工方案要求在确保地下防渗墙有效连接的同时(喷浆钻头间隔为60 cm)，对管道进行水泥砂浆的包封处理，鉴于施工过程对于燃气管道定位的要求精度特别高(见图1)，管道探测的精确度成为了保证管线安全最重要的方面。

3 探测方式原理及要点分析

目前对于地下管道可根据管线是否有敞口分为封闭管线和非封闭管线两类，结合探测设备能否进入管道内部的区别又可分为可穿线管道和不可穿线管道两类，可穿线管道即是敷设于套管内的电力、通信等管线，探测设备可进入管道内部对管道走向埋深进行测量，非封闭的管线探测可采用传感器探测法、示踪导线法和惯性陀螺仪定位技术，而高压燃气管线作为压力等级较高的封闭管线，非封闭管线的探测方式是无法适用于燃气管线的，故本文不进行探讨分析。同时《城镇地下管线探测技术规程》中3.0.15第三条明确规定：严禁在燃气管道使用钎探进行探测，所以目前燃气管线的探测方式有电磁感应法、地质雷达法、高密度电法、地震波法、钻孔磁梯度法、工程触探法等，其中工程钻探法在钻进过程中不得损坏燃气管道防腐层。

根据相关研究中不同探测方法准确性、可靠性、适用性的研究[1]，电磁感应法、地质雷达法、高密度电法、地震波法均为表层探测法，相关探测数据存在精度上的误差，仅能确定燃气管道的大致范围，无法满足本次施工作业超高精度的要求，故最终探测方案在综合考虑探测区域环境及探测成本后，将探管仪(电磁感应法)作为管线平面位置及埋深进行基本定位的方式，然后结合钻孔磁梯度法对燃气管线水平位置及埋深进一步准确定位，同时应用工程触探法对探测数据进行物理层面的复核和验证，从而保证探测结果的准确无误，切实保障地下燃气管线的安全。

3.1 电磁感应法

电磁感应法作为最常用的地下管线探测方法，地下管线具有较好的导电性、导磁性，金属管线一般具有中等以上强度的磁性，其与周围介质的导电性和导磁性存在一定的差异性。当探管仪对燃气管线施加一定频率和适当强度的交变电磁场后，燃气管线与大地之间便有相应的交变电流通过，该交变电流在其周围空间产生相同频率的交变电磁场，即在目标管线周围形成二次交变电磁场异常，探管仪接收装置通过分析电磁场空间分布规律并检测燃气管线的异常，便能确定目标管线的位置，从而实现对地下金属管线定位的目的。探测方法分为主动源和被动源方法，其中主动源法包括直接法、夹钳法、感应法。本次探测过程中，由于过河段燃气管线在汾河两岸设置有埋地阀门，探管仪的发射装置可采用直接法与燃气管线进行连接，同时接触点应使用砂纸进行必要的除锈打磨，保证接触效果良好。在探测过程中可通过使用较大发射功率的仪器，施加低频信号等措施可以增加管线探测仪的极限深度，为后期精确探测提供可供参考的数据。

3.2 钻孔磁梯度法

地球自身是一个大的磁性体，在地球上的各种地层、岩体都不同程度的存在一定的磁性，磁性的强弱与地层的物质结构、形成年代等具有密切关系，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。在没有外界磁性物质干扰的情况下，其磁场强度就是地磁场，即背景场。对于采用钢质材料的燃气管线，由于其自身磁化率较高，受大地磁场的磁化作用，将会在其周围分布有较强的感应磁场，管道周边的磁场强度会高于背景场或其他物质磁化产生的磁场，从而产生磁异常，而在远离管线管顶上部、管底下部的区域磁场强度又会回归到背景场，针对燃气管线垂向的磁梯度分布的特点，通过量测燃气管线侧面磁梯度值变化，可以区别和分析不同磁性异常体的磁性和空间分布，从而确定燃气管线的实际埋设深度(见图2)。

本次探测区域地处汾河河道内(沙土地质)，周边未发现有电塔等干扰设施，且地下经前期勘察无其他管线，故探查区域探查环境较为理想。在磁测工作前,需先在管道两侧设置两个钻孔(可与后文中工程触探法同步实施)，成孔后放入PVC套管，然后将磁梯度探棒由上至下(0.1 m为间隔)进行感应，当燃气管道在探棒 20 cm范围内，感应探头仪就会发出蜂鸣声，同时地面人员测量记录不同深度下对应的磁梯度值，根据最终的磁梯度探测曲线可大概确定管道的埋深、位置。图3,图4分别为汾河东、西岸燃气管线与旋喷桩施工轴线交点的磁梯度探测曲线，图3显示汾河东岸燃气管线的管中心埋深为8.70 m，管道埋设范围8.20 m～9.00 m，图4显示汾河西岸燃气管线的管中心埋深为10.50 m，管道埋设范围为10.00 m～10.75 m。

3.3 工程触探法

为进一步确定管道的准确位置及埋深，本次探测中使用工程触探法进行物理触碰复核和修正上文探测的数据。工程触探法是使用一套水钻法设备进行钻孔施工，按照探管仪探测的管道走向及水平管位，以管线横断面作为钻机钻进轴线，在横断面中以一定孔距依次钻孔至管道表面，通过实体触探的方式对燃气管线的位置标高进行准确判断，同时钻孔也可作为磁梯度检测法的钻孔使用。传统钻井是通过硬质合金切削土体实现钻孔的成形，但是在管线探查中，该施工方式可能会因基础资料不准确、施工人员经验不足或预估不足造成对地下管线的破坏。本次探测中为保证管道的安全，施工方式为采用软性钻头的水压冲击钻井新工艺，在采用高压水冲击土层的同时，需进行泥沙的及时抽取，保证钻杆依靠其重力自行下钻，而采用泥浆护壁的方式可有效防止孔壁的坍塌。水压冲击钻在实际钻进过程中，因钻头前端水压强度有限，会出现因石头等障碍物无法破除而出现停顿，这时施工方应首先结合探管仪的探测数据初步分析是否为管道，同时在现状钻孔中放入磁梯度探棒探测其是否存在较大的磁梯度变化，从而判断障碍物的材质，在判断为石头等障碍后，可临时换装合金钻头进行破碎，然后重新使用水钻进行钻进施工。同时障碍物的破碎钻进过程须不断尝试不断分析，万不可一蹴而就发生燃气管线的安全事故，同时钻进过程中须对钻具、钻杆的垂直度进行不停监测及调整[2]，保证探查管线的数据可靠。

3.4 探测结果及实践效果分析

根据触探数据与磁梯度仪测量数据的比较分析，在修正管线中心顶点位置坐标后，磁梯度方式探测的管线埋深符合实际触探的结果。探测报告显示管道坐标误差为±10 cm，高程误差为±0 cm。最终，汾河南延防渗墙旋喷桩施工作业以探测报告数据进行组织施工，同时为保证旋喷桩作业过程中钻杆的垂直，防止钻杆倾斜损坏燃气管道，在施工过程中同样进行旋喷桩钻机水平度及钻杆垂直度的监测，伴随着最后一根钻孔的收尾，燃气管线在施工过程中未发生任何险情，同时也标志着太原天然气公司有史以来危险等级最高的第三方施工作业完美落幕。

4 结语

常规的电磁感应探管仪只适用于浅埋燃气管线的探测，超大埋深燃气管线的精确探测定位需采用磁梯度法、工程触探法等多种方法综合探测，并根据各种方法的不同优势对结果进行相互验证、校核，才能提高探测数据的精确度，本文所述的三种方法的有效结合，在一定程度上能解决部分区域管线精准探测的难题，在燃气管线探测过程中具有重要的参考价值。

燃气公司在采用非开挖施工方式进行燃气管线的新建施工时，需准确记录、留存施工导向记录，并尽快完善资料归档，确保后期查阅竣工资料的真实、可靠；对于尚未投运之前的燃气管线，管线单位也可采用传感器探测法、示踪导线法和惯性陀螺仪定位技术进行管线的精确测量，方便燃气公司对特殊敷设方式燃气管道的精细化管理，从而为天然气管道长期安全、稳定运行奠定良好基础。