CN101551470B - 一种探测非开挖深埋管线的方法 - Google Patents

Abstract

一种探测非开挖深埋管线的方法，是利用长导线产生的电磁波作为工作媒介的长直电磁波非开挖深埋管线的探测方法，即长导线探测法。它能通过在50-150m的导线在远端接地，选择合适频率、电流探测埋深大于5m的非开挖金属管线，从而提供准确的地下管线平面位置、埋深空间数据，继而确保这些穿越管段的安全运行和管理，为管线信息系统数据的准确性提供可靠保证。

Description

一种探测非开挖深埋管线的方法

技术领域

本发明属于工程物探领域，具体涉及一种用于非开挖施工深埋金属管线或电缆路径的探测技术。

背景技术

管线非开挖施工技术是建设部推广应用的现代地下管线工程技术。它广泛应用于江河、道路穿越等，例如近几年广州市的LNG天然气项目、珠三角成品油管道工程中，大量使用了机械顶管、水平定向钻穿越的管线非开挖技术。往往超长和超深的管线(即管线长度大于300m和管线深度大于5m的管线)由于敷设时的施工图纸与实际敷设路径往往有一定的差异；或因时间、人员变动等因素，施工图纸丢失或难以找到时，需要对已敷设的金属管线或电缆的具体敷设路径进行探测，保证城市管线档案管理的要求。

现有探测技术，一般是采用极大值法或极小值法，具体为用发射机向地下金属管线上施加一交流信号，在管线周围便会产生交变磁场，管线正上方的磁场强度水平分量最大而垂直分量最小。极大值法是在地面上用一个平行于地面且垂直于地下管线的线圈，作天线来测量金属管线产生磁场的场强，线圈上所感应产生的交变电压信号的大小反映了磁场强度水平分量的大小，信号最强的位置就是地下金属管线的正上方，移动扫描中信号最强点的连线就是地下管线的走向；极小值法是在地面上用一个垂直于地面的线圈，作天线来测量金属管线产生磁场的场强，线圈上所感应产生的交变电压信号的大小反映了磁场强度垂直分量的大小，信号最小的位置就是地下金属管线的正上方，移动扫描中信号最小点的连线就是地下管线的走向。但对于深埋管线而言，它们的共同缺陷是：①现有仪器的标称勘探深度小于5米，但埋深管线的深度完全超出了现有仪器的标称勘探深度；②现有的普通感应或直接法只能测到2-5m范围的埋深1-3m的非开挖管线，一般5m远以外时接收的信号较弱甚至无信号，很难确定地下管线的位置。③即使将发射机的发射功率及接收机的增益调至最大，也无法探到管线。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷，提供一种利用长导线产生的电磁波作为工作媒介的长直电磁波探测非开挖深埋管线的方法，即长导线探测法。它能通过在50-150m的导线在远端接地，选择合适频率、电流探测埋深大于5m的非开挖金属管线，从而提供准确的地下管线平面位置、埋深空间数据，继而确保这些穿越管段的安全运行和管理，为管线信息系统数据的准确性提供可靠保证。

在1-21m埋深管线的磁场曲线可以通过如下方式确定：根据法拉第电磁感应定律，令x为地面的位移，h为管线的中心埋深，那么无限长带电管线的磁场H的水平分量H_x公式1、垂直分量H_z公式2、管线埋深计算公式3和管线探测仪ΔHx公式4如下：

公式1： $H_X=\frac{I}{2\mathrm{\π}}\·\frac{h}{x^2+h^2}$

公式2： $H_z=\frac{I}{2\mathrm{\π}}\·\frac{x}{x^2+h^2}$

公式3： $h=b\·\frac{H_{x\max }^b}{H_{x\max }^b-H_{x\max }^t}$

公式4： $\mathrm{\Δ}{H}_x=H_x^b-{\mathrm{\αH}}_x^t=\frac{I}{2\mathrm{\π}}(\frac{h}{x^2+h^2}-0.775\frac{h+d}{x^2+{(h+d)}^2})$

公式5： $\mathrm{\β}=\sqrt{\mathrm{\ω\μ\σ}/2}$

公式3中，d是上下两个线圈的距离，H_xMax ^t和H_xMax ^b分别是位于管线正上方(即x＝0)时上、下两个线圈测得的极大值；公式5中，β为电磁场的衰减系数，ω为工作频率，μ为磁导率，σ为电导率。电磁场的衰减，当介质磁导率、电导率一定时，电磁场的衰减系数与发射频率的平方根成正比。通常，发射频率越低，传播距离越远，有效穿透深度更深。因此在有外界磁场干扰的地区，优先使用低频。

假定管线埋于地下水平走向，同时供电电流I＝2π安培，磁场强度各分量H_x、H_z的单位为安培/米(A/m)。

1).单线圈不同深度的磁场剖面曲线

图1和图2分别是埋深1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、15、18、21m深度的Hx剖面曲线和|H_z|剖面曲线。

I、磁场的水平分量Hx，管线的正上方(x＝0)时，有极大值 $H_{\mathrm{xMax}}=\frac{I}{2\mathrm{\πh}},$ 这就是管线的平面位置。而水平分量|Hz|，有极小值：|Hz|＝0；在x＝±h，|Hz|极值为Hx极值的一半，即 $\left|H_{\mathrm{zMax}}\right|=\frac{1}{2}{H}_{\mathrm{xMax}}$ 。

II、埋深越小，曲线越陡，埋深越大，曲线越平缓，当埋深增大时，Hx最大值急剧下降。埋深＞4m时，Hx曲线趋于平缓。

III、穿越0.8Max两个点间的距离等于埋深h，穿越半极值点间的距离等于2倍埋深h，其中半极值为0.5。不管埋深多大，此式均成立。

IV、埋深＜2.5m时，曲线以较大的斜率过原点，管线的两侧附近上方有|Hz|极大值。埋深＞2.5m时，曲线以平缓的斜率过原点，附近几乎无Hz极大值。

V、电流埋深增大k倍，Hx、Hz极大值提高到为原值的k倍。由公式1、公式2可知道，埋深不变时，磁场极大值与电流强度I成正比。

如图3和图4所示，是以埋深3m时电流为基准的Hx、Hz曲线图，电流I参数均为3倍原电流即I＝6π(安培)，埋深h参数分别为3、4、6、8、10、12、15、18、21米。

从图3至4可以看出，它们均比原各自的Hx(如图1所示)、|Hz|(如图2所示)的图形有所改善。当然电流增大10倍时，Hx极大值提升更为明显、Hz的陡度更大。因此，在噪声信号强度不变的情况下，增大电流可明显提高信噪比，因此能提高勘探深度。

2).双线圈归一化ΔHx剖面曲线

图5为依据公式5绘制的ΔHx剖面曲线，它是对每条各自的最大值归一的曲线。与归一化Hx单线圈的图3曲线相比，它有如下特点：

h＜3m时，ΔHx曲线下降到0.7的两个点间距近似等于埋深。

h＞3m时，依图5所示，h＝3m-12m范围内，部分埋深计算数据见表1：

表1归一化ΔHx的70％和75％的误差对比

深度

70％法

差值

误差

依75％

差值

误差

3m

3.08

0.08m

/

/

/

/

4m

4.30

0.30m

7.50％

3.86

-0.06m

-3.5％

6m

6.58

0.58m

9.55％

5.92

-0.08m

-1.3％

12m

14.26

2.26m

19.9％

12.6

0.6m

5％

因此，h＞3m时，ΔHx曲线下降到0.75(而不是0.7)的两个点间距近似等于埋深，可将误差减少到小于5％H。

由于存在干扰信号，所以仪器要探测管线时，可分辨的信号必须高于假信号或干扰信号。对特定的管线和信号频率，通常信号损失率是固定值。管线中电流强度是沿线衰减的，衰减情况与管线的横向电导、纵向电阻、管道与大地的分布电容、管线间自感等参数有关。因此，抑止和排除干扰异常的影响，提高信噪比，是非开挖管线探测工作的关键。

根据上述理论，为实现本发明的目的，本发明的技术方案是：

一种探测非开挖深埋管线的方法，所述探测方法使用的管线探测仪包括发射机和接收机，其特征在于：

A、找到地下管线的检测桩，将管线探测仪的发射机的信号输出端子连接到检测桩上，发射机的接地端子用50至150米的电缆线延长，接至远处地面作为接地点，接地点在尽可能的远的位置，电缆线与地下管线走向所成夹角在65°～75°之间；

B、选择合适的接地点，通过电缆线延长后的发射机接地端子的接地点位于地形低洼处或潮湿处，用1米～1.5米长的接地棒将所述接地端子打进地下；如果接地点地表干燥时，在接地点加注水；

C、管线探测仪的接线连好后，开启发射机，测试仪器电路的回路电阻和电流，如果电阻太大，改变接地端的接地点直至找到最理想的接地点为止；

D、开启发射机和接收机，试验管线探测仪的各种工作频率的探测效果，根据现场选择出探测效果最佳的频率；

E、在地面上将接收机沿着被测地下管线埋设的方向，由近至远移动和探测，利用极大值、极小值法结合探测地下管线的位置；在探测现场确认地下管线信号可靠的情况下，地下管线的埋深为：

①埋深＜3米时，用Hx峰值法找到地下管线后，Hz精确定位，ΔHx的70％法定深；

②埋深＞3米时，用Hz零值用于地下管线定位搜索，再依0.8倍Hx结合75％的ΔHx求取埋深；

F、改变发射机的发射功率，发射机的电流由小到大，重复E步骤；

G、对所测数值使用加权平均法计算得到所述地下管线的埋深。

作为改进，在所述步骤D中，管线探测仪工作模式优先使用低频工作模式。

作为改进，在所述步骤E中，地下管线的平面位置用极大法结合零值法确定。

作为改进，在探测现场，用直读埋深与估计的施工埋深比较，根据深埋的深浅，可判断是否干扰异常。

作为改进，当探测的目标地下管线的两端都埋有检测桩的，将管线探测仪分别连接两端的检测桩，按所述A至F的步骤进行两次探测，探测完成后验证两次探测的结果。

作为改进，所述步骤E中，接地棒为长铁棒。

与现有技术比较，本发明利用频率、接地、电流相结合的优势，提高了抗干扰能力，对于多条管线并行敷设的复杂区域、各种电磁干扰较大的场合，同样适合；购置及检测成本低廉，提高了管线探测的效率，测试工作劳动强度低，降低了对管线探测装置使用者的经验要求，易于推广和普及。

对于在非挖开的情况下需精确测定地下金属管线和电缆的位置和走向等分布状况的行业和部门，如建筑、市政建设、电力、石油、通信等，可广泛应用于地下管网普查；或用于石油、然气、自来水等单位的金属管线探测；或用于电力及通讯部门的电力电缆的检测；或用于工程施工部门在施工前探测地下管线、电缆等设施的分布。

本发明可广泛用于非开挖金属管线或电力电缆的路径跟踪等探测领域。

附图说明

图1为不同埋深、相同电流的Hx剖面曲线

图2为埋深1-21m、电流相同的|H_z|剖面曲线

图3为不同埋深、3倍电流的Hx剖面曲线

图4为不同埋深、3倍电流的|Hz|剖面曲线

图5为不同埋深、归一化的ΔH_x/ΔH_xMax剖面曲线

图6为跨越河流定向钻工业管线探测示意图

图7为跨越道路定向钻管线探测示意图

图8为Hx理论与实测拟合曲线图

图9为管线探测验证布置图

图10为RD4000探测与埋深5-12m的归一化ΔH_x理论曲线图

图11为LD500探测与埋深5-12m的归一化ΔH_x理论曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

施工实例1  工程A

1.工程概况

如图6所示，工业管线穿越地段位于广州市北部。非开挖水平定向钻管线穿越出土点为D，入土点为H，有一阀门于A点，穿越长510m，河流宽290m，是管径273mm的钢管。穿越起点D至终点H用感应法探测无效，普通直连法也探不到。

2.仪器设备

用雷迪RD4000管线探测仪器

3.测试

通过阀门A点直连，用150m长的接地线远端接地于B点，工作频率8KHz，发射功率大于150mA，河的一岸D、E、F、对岸G、H点均测，追踪至河北岸的已知管线点G、H，说明管线信号可靠，有效。

4.资料处理

D、E、F、对岸G、H点均测到了管线位置，埋深分别为1.67、9.6、11.3、10.5、1.72m。

5.结果分析

在F点虽然信号不是很强，峰值法、零点法、抬高接收机0.8m验证相结合，探测的埋深后来被施工埋深资料12m所证实，说明信号可靠，探测结果正确。

施工实例2  工程B

1.工程概况

如图7所示，广州番禺XX大道水平非开挖水平定向钻管线穿越的LNG管线，其材质采用新型的直缝钢管，管径为508mm。该路中是某快速干线高架桥，管线主要沿道路一侧的人行道下铺设。管线埋深大(3m～10m)，本管线穿越的入土点位于K点，穿越K-J间的马路、H-G的十字路口圆盘，出土点位于A，穿越长度为920m。在非开挖水平定向钻管线施工段一端A设有标志桩。

2.仪器设备

RD4000探测仪

3.测试

(1)在A点的标志桩上直连，接地点位于高架桥下的D点(在B、C接地时探测无信号，不成功)，选取工作频率640Hz。

(2)管线上方为路边人行道，许多地段有浅部(0.3-1.2m)的电信和电力路灯电缆。根据干扰程度的不同，采用的探测方法也不同，分述如下：

在管线埋藏浅、虽然浅部有干扰段(如在E-F段，深3.9-3.1m)，当有效信号大于干扰信号的情况时，通过抬高RD4000探测仪器的方法，消除浅部干扰，辨认管线信号，并测到管线位置和埋深。

在LNG埋藏深、浅部干扰大的地段(如在H-I段，深5-9m)，路面电信、电力、给水干扰多，RD4000无法辨认管线信号，不在该段定点和测深。

在LNG埋藏深、但干扰小的地段(如在I-J-K段)，直接用直读法，Hx80％剖面法测深，例如在I点观测了一条剖面(命名为M#B)，采用公式 $H_z=\frac{I}{2\mathrm{\π}}\·\frac{x}{x^2+h^2}$ 计算，结果如图9所示。

4.结果分析

I点剖面计算结果与直读深度在允许范围内，说明管线信号可靠。

当根据信号追踪至窨井K点(相当于入土点)时，所探测的平面位置、埋深(2.7m)都与井内量得的埋深一致，证明探测信号有效、方法正确。

施工实例3  工程C

1.工程概况

如图9所示，广东LNG番禺金山分输站-南沙段的XX站，选择2处定向钻施工管线的探测点做剖面观测和钻探验证。该段LNG是管径DN762mm的钢管。

2.仪器设备

RD4000、LD500管线探测仪

3.测试

采用直连法，一段连至检测桩#0，另一段连至100米尽的远的接地点B，在B点用1米长铁棒打进地下。

工作频率RD400是640Hz，LD500是512Hz。

在验证#1、验证#2点观测了RD4000、LD500两种仪器直读值，和H_x、70％、25％方法的剖面曲线。

验证方法与结果：采用水冲法钻进，碰到管线立即停止作业，这样既能达到验证深度目的，又不会损坏护线。在验证#1、验证#2点两点都第一钻都打到管线，埋深7.08m和7.74m。

4.结果分析

两种仪器在验证#1、验证#2点归一化ΔH_x曲线模拟计算与实际观测曲线的结果分别见图10、图11。其中，RD4000#1、RD4000#2和LD500#1、LD500#2表示RD4000和LD500在验证#1、验证#2点的探测值。

说明管线探测的平面位置误差＜30cm，平面误差是符合规范要求10％的。但是，深度则有不同情况。RD4000、LD500两种仪器探测埋深与钻探埋深结果对比见表2。钻探中心埋深为按管顶+管半径，误差公式按：误差(％)＝(探测深-钻探深)/钻探深计算。

表2为管线探测与水冲法钻探检验结果对比表

由表2可以看出，验证#1探测点中心埋深7.08m，两种仪器都能满足要求，RD4000的精度(3％)高一些；验证#2探测点7.74m，两种仪器都不能满足要求(＞23％)，LD500误差相对要好一些，而且只有25％法的精度((8.4-7.74)/7.74＝12.4％)才能满足要求。

Claims (3)

1.一种探测非开挖深埋管线的方法，所述探测方法使用的管线探测仪包括发射机和接收机，其特征在于：

A、找到地下管线的检测桩，将管线探测仪的发射机的信号输出端子连接到检测桩上，发射机的接地端子用50至150米的电缆线延长接至远处地面，电缆线与地下管线走向所成夹角在65°～75°之间；

B、发射机接地端子位于地形低洼处或潮湿处，用1米～1.5米长的接地棒将所述接地端子打进地下；如接地点地表干燥时，在接地点加注水；

C、管线探测仪的接线连好后，开启发射机，测试仪器电路的回路电阻和电流，如果电阻太大，改变接地端子的接地点直至找到最理想的接地点为止；

D、开启发射机和接收机，试测管线探测仪的各种工作频率的探测效果，根据现场选择出探测效果最佳的频率；

E、在地面上将接收机沿着被测地下管线埋设的方向，由近至远移动和探测，利用极大值、极小值法结合探测地下管线的位置；在探测现场确认地下管线信号可靠的情况下，地下管线的埋深为：

①埋深＜3米时，用Hx峰值法找到地下管线后，Hz精确定位，ΔHx的70％法定深；

②埋深＞3米时，用Hz零值用于地下管线定位搜索，再依0.8倍Hx结合75％的ΔHx求取埋深；

F、改变发射机的发射功率，发射机的电流由小到大，重复E步骤；

G、对所测数值使用加权平均法计算得到所述地下管线的埋深；在所述步骤E中，地下管线的平面位置用极大法结合零值法确定；

在探测现场，用直读埋深与估计的施工埋深比较，依据深埋的深浅，判断是否干扰异常；

当探测的目标地下管线的两端都埋有检测桩的，将管线探测仪分别连接两端的检测桩，按所述A至F的步骤进行两次探测，探测完成后验证两次探测的结果。

2.根据权利要求1所述的探测非开挖深埋管线的方法，其特征在于：在所述步骤D中，管线探测仪工作模式优先使用低频工作模式。

3.根据权利要求1所述的探测非开挖深埋管线的方法，其特征在于：所述步骤B中，接地棒为长铁棒。

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