基于回线源地-井瞬变电磁法和磁梯度法的非开挖深埋燃气管道精确定位应用研究.pdf

工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式：赵智嵘，海宝权，张迎，等.基于回线源地一井瞬变电磁法和磁梯度法的非开挖深埋燃气管道精确定位应用研究.工程地球物理学报，2 0 2 3，2 0（3）：337-343.英文引用格式:Zhao Zhirong,Hai Baoquan,Zhang Ying,et al.Application of precise positioning of non一excavated deep buried gas pipe-line based on comprehensive geophysical exploration technologyLJ.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2023,20(3);337-343.CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSMay,2023基于回线源地一井瞬变电磁法和磁梯度法的非开挖深埋燃气管道精确定位应用研究赵智嵘1，海宝权，张长?迎1，张琳梅，李跃义1（1.天津市第二地质勘探大队天津市地质工程勘测设计院有限公司，天津30 0 191；2.大唐国际发电股份有限公司天津大唐国际盘山发电有限责任公司，天津30 190 0）摘要：管道非开挖技术现已被广泛地应用于城市基础设施建设之中，但设计资料缺失、管理不善等原因致使无法对原有管线进行定位，增加了第三方施工对其造成破坏的可能。非开挖管线埋深大、地质条件复杂，使得常规管线定位技术如管线探测仪、探地雷达法、地震面波法及高密度电法等，极难实现对其精细定位。针对该问题，本文提出一种通过综合应用回线源地一井瞬变电磁法及磁梯度法实现深部管线精细探测的方法，并将其应用于天津地区某深埋燃气管线探测工程之中；通过识别数据曲线的“单峰”顶点特征，最终确定目标管线实测水平位置与设计水平位置偏移约2 m，中心埋深高程为标高一14.37 m（测量极差0.1m）。实践表明，该方法的提出对提升非开挖深埋铁磁性管道探测效率、减小探测误差具有指导意义。关键词：磁测井法；孔中瞬变电磁；深埋管线；精确定位中图分类号：P631.2;P631.3doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2023.03.006文献标识码：A文章编号：16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 337 0 7Application of Precise Positioning of Non-excavated DeepBuried Gas Pipeline Based on Comprehensive GeophysicalExploration TechnologyZhao Zhirong,Hai Baoquan,Zhang Ying,Zhang Linmei?,Li Yueyil(l.Tianjin Geological Engineering Survey and Design Institute Co.,Ltd.Tianjin SecondGeological Eaploration Brigade,Tianjin 300191,China;2.Tianjin Datang International Scenic Mountain Power Generation Co.,Ltd.DatangInternational Power Generation Co.,Ltd.,Tianjin 301900,China)Abstract:Trenchless pipeline technology has been widely used in urban infrastructure con-收稿日期：2 0 2 2-10-2 7基金项目：天津市地质矿产勘查开发局2 0 2 0 年改革创新项目（编号：JDF一2 0 2 0 一7 一0 0 3）第一作者：赵智嵘（1996 一），男，硕士，助理工程师，主要从事工程地球物理勘探工作。E-mail：2 16 36 2 8 1 q q.c o m通讯作者：李跃义（196 5一），男，教授级高级工程师，主要从事工程地质勘察工作。E-mail：152 2 2 7 2 2 151 16 3.c o m338struction.However,due to lack of design data and poor management,it is impossible to lo-cate the original pipeline,which increases the possibility of damage caused by third-partyconstruction.Due to the large buried depth and complex geological conditions of the trench-less pipeline,it is extremely difficult to realize the precise positioning of the conventionalpipeline positioning technologies,without the surpport of pipeline detector,ground penetrat-ing radar,seismic surface wave and high-density electrical method.To solve these prob-lems,this paper proposes a method to realize the precise detection of deep gas pipelinethrough the integrated application of loop source well transient electromagnetic method andmagnetic gradient method,and applies it to a deep gas pipeline detection project in Tianjin.By identifying the“single peak”vertex feature of the data curve,it is finally determined thatthe measured horizontal position of the target pipeline deviates from the design horizontal po-sition by about 2 meters,and the central buried depth elevation is elevation-14.37 m(measuring range:0.1 m).The practice shows that the proposed method can improve the de-tection efficiency of non-excavated deep buried ferromagnetic pipeline and reduce the detec-tion error.Key words:magnetic logging method;transient electromagnetic in borehole;deep buried1 引 言管线非开挖铺设技术于2 0 世纪90 年代引进，因其具备在不影响交通、不破坏原有道路路面的基础上，仍能保证较高的施工效率和相对合理的施工成本的优势，而被逐步普及应用1-3。该技术的管道埋深一般为32 0 m，管道线路通常为平面曲线，且因施工年代较久，管理混乱，管线的竣工资料常存在缺失与误差，导致对现有运行管道的管理出现失控状态4。这也导致在后续管线施工过程中存在与既有天然气、燃油等非开挖管道交叉时，可能对既有管道造成影响，轻则引起管道周边土体滑移，导致管道应力集中或损伤管道外防腐层5，重则损坏管道引起泄漏，进而引发火灾爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。因此，寻找一种可实现对地下深埋管线的精确定位探测方法至关重要。目前常规管线探测方法主要分为地表探测法、孔中探测法及钻探触探法等6 。地表探测法如管线探测仪7、探地雷达法8 、地震面波法、弱磁检测技术9及高密度电法10 1等探测效率高，但有效探测距离较小，无法满足对深埋管线的探测需求；孔中探测法如磁梯度法11-13 及钻孔雷达法14等，利用钻孔的优势，距离探测目标更近，探工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）pipeline;accurate positioning该综合物探方法的可行性。2方法原理本次探测任务中的天然气管道属铁磁性物质，磁化率很大且磁性很强，而地下的各类土层则属于无磁性或弱磁性物质，磁化率很小且磁性很弱，金属管线和各类土层之间存在明显的磁性差异（达几个数量级），金属管线被磁化，在其周围会形成很强的局部磁异常。通过测量地下不同深度范围内磁场的变化，即可确定管线的位置信息。以此为依据，针对本次探测燃气管线材质，本研究选取磁梯度法与回线源地一井瞬变电磁法进行探测。第2 0 卷测精度高，有效探深大，受地表各类电磁干扰较小，但该方法需要钻机成孔，风险较高；钻探及触探法借助钻机进尺数据确定管线的空间位置15，该方法效率低，且可能碰到石块等硬物而误导探测结果。针对深埋管线定位探测中存在的上述问题，本研究以前期调研资料及初勘成果为基础，提出一种基于回线源地一井瞬变电磁法及孔中磁梯度法的管线综合定位探测方法，在充分利用已有钻孔资源的基础上降低探测成果的多解性。该方法在本次深埋管线探测项目中的成功应用，证明了第3期赵智嵘，等：基于回线源地一井瞬变电磁法和磁梯度法的非开挖深埋燃气管道精确定位应用研究2.1磁梯度法磁梯度法勘探16-18 以磁性体磁场的数学理论为基础，通过研究磁性体周围磁场变化的空间分布特征和分布规律，对磁性物体空间分布作出解释。孔中磁法测量过程中，沿探孔测量不同深度位置处的磁场强度，从而发现并确定钢管的位置深度。其探测原理如图1所示。中地面磁探头非开挖深埋管道图1磁梯度法探测原理Fig.1Principle of magnetic gradient detection本次探测过程中，根据前期踏勘资料确定管线大致位置，以该位置为中心，垂直于管线两侧布设钻孔测线，将磁测探测仪放置于钻孔底部，从孔底开始每隔0.1m间隔测量该处的磁场数值，并计算出其磁梯度数值。通过磁场值及磁梯度数值判定管线的具体埋深。2.2回线源地一井瞬变电磁法回线源地一井瞬变电磁法19 基本原理同地面瞬变电磁法2 0 ，它利用位于地表的不接地回线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用井下电偶极接收感应二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场瞬变，属于时间域电磁感应法。其探测原理如图2 所示。本次探测过程中，选用磁测井数据较为明显的钻孔用于放置接收探头，探测参数为：10 mX发射线圈非开挖深埋管道图2 回线源地一井瞬变电磁法探测原理Fig.2Principle of loop source-well transientelectromagnetic method33910m边框回线源、2 5Hz发射、5A电流、30 门接收。探测时，回线源线圈采用非中心布框，放置于两磁测井测线之间，接收探头放置于钻孔顶部，从孔顶开始每隔1m间隔分30 门测量磁感应强度变化，最终通过多测道响应曲线进行定性分析，判定地下地质结构分布。3精确探测技术应用案例磁梯度仪3.1项目概况天津市某项高压燃气管道工程，管线横穿高速公路，其穿越路段采用非开挖定向钻铺设，管线尺寸规格为D406.4X11.9mm，管材等级L360，材质钢管。与高速公路平行方向现存在另一非开挖管线。从安全角度考虑，对此次高压燃气管线进行探测，以查明其埋深及大致走向。因目标高压燃气管线横穿高速公路处为一河流，且附近存在地下电缆、高压线等电磁干扰，可施工区域较小，故在其临近位置布设测线进行测量。布设测线时，首先以设计深埋管线水平位置为中心，向两侧布设钻孔测线L1，利用磁梯度法对各钻孔进行探测；基于测线L1探测结果，有针对性地布设测线L2，以减少钻孔数量；得到各钻孔探测结果后，在满足场地探测条件下，选取合适钻孔点作为探测井，使用回线源地一井瞬变电磁法进行探测（图3）。3.2井中磁测井法探测成果以设计深埋管线水平位置为中心，向两侧布设钻孔测线，钻孔间距2 m。首先考虑场地位置因素，布设磁测井法测线L1，共包含6 个钻孔，依次为K1-1、K 1-2、K 1-3、K 1-4、K 1-5、及K1-6,钻探时顺序依次进行，避免直接钻到目标管线。测试时，探头从孔口放人由上至下进行采样，采样间隔设置为0.1m,其测量单位为nT;为确保数据的准确性,对同一钻孔均需进行多次数据采样。在获取探测数据后，对其进行前部杂波清除、异常点剔地面除及数据平滑等处理等，以压制规则和随机干扰，提高信号信噪比，保证数据解释精度。对处理后的磁场数据进行整理成图，采用差一携收分计算方法在钻孔深度（轴）上以0.1m的间隔探头依次绘制各点的磁梯度值成图时，为直观确定管线空间位置，将磁梯度及磁场数据等比例缩放，并按钻孔位置于轴依次进行排列，最终绘制测线L1中各钻孔磁场及磁梯度值曲线，如图4所示：340观察对比各钻孔测得的磁场及磁梯度曲线，在孔深18 19 m处附近,K1-4及K1-5两孔磁梯度及磁场数值存在明显波动，其中磁梯度曲线呈现明显“单峰”特征；K1-6孔磁场数值存在轻微波动。通过对比该深度范围处3个钻孔得到的磁场数值大小可知,K1-5K1-4K1-6,其中K1-5孔磁场幅值于18.5m处达到峰值，为48 7 91nT。根据各孔之间相对位置关系，可推断目标探测管线中心位置位于孔K1-4及孔K1-5之间，且距孔K1-5位置更近；中心位置埋深标高约为一14.41m(18.5-4.09=14.41 m)。基于测线L1探测结果，在布设测线L2时为减小钻孔风险，基于测线一探测结果共布设钻孔四个,分别为K2-1、K 2-2、K 2-3及K2-4。对处理工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）第2 0 卷后的测线进行整理成图，参照图4绘图方式绘制测线L2各钻孔磁场及磁梯度值曲线，如图5所示。观察对比各钻孔测得的磁场及磁梯度曲线，在孔深18 18.5m处附近,K2-3及K2-2两孔磁梯度及磁场数值存在明显波动。通过对比该深度范围处磁场数值大小可知,K2-3K2-2,其中K2-3孔磁场最大幅值6 36 36 nT位于18.2 m处。根据各孔之间的相对位置关系，可推断目标探测管线位于孔K2-3及孔K2-2之间，且距孔K2-3位置更近；中心位置埋深标高约为一14.38 m（18.2 一3.82=14.38 m)。测线L1和测线L2各钻孔的探测结果见表1。综合上述两测线探测结果，初步判定目标燃气管线位于K1-5与K1-4及K2-3与K2-2之间。测线位置一高速公路-6K1-5K1-4回线源-4K2-2-3K2测线布设放大示意图图3探测钻孔布设示意图Fig.3The layout diagram of detection borehole磁场K1-6磁场K1-3梯度K1-6梯度K1-3磁场K1-5磁场K1-2梯度K1-5梯度K1-2磁场K1-4磁场K1-1梯度K1-4梯度K1-1钻孔深度/m图4测线L1磁场及梯度数值曲线Fig.4 Numerical curves of magnetic field and gradient of line 1第3期赵智嵘，等：基于回线源地一井瞬变电磁法和磁梯度法的非开挖深埋燃气管道精确定位应用研究341磁场K2-4梯度K2-4磁场K2-3梯度K2-3磁场K2-2梯度K2-2磁场K2-1梯度K2-1钻孔深度/m图5测线L2磁场及梯度数值曲线Fig.5Numerical curves of magnetic field and gradient of line 2表1钻孔探测异常区域Table 1sStatistical table of borehole detectionabnormal area孔深磁场测量值异常点孔号孔口标高/m最大值/nTK1-122.7K1-222.4K1-319.5K1-419.8K1-520.9K1-623.0K2-123.1K2-219.9K2-321.8K2-422.23.3回线源地一井瞬变电磁法探测成果为排除上述区域仍有存在其余管线的可能，降低磁测井物探方法的多解性，在满足场地探测条件的基础上，选取磁场及磁梯度数据曲线存在较大波动的K1-5钻孔点作为探测井，使用回线源地一井瞬变电磁法进行探测。探测时，回线源线圈采用非中心布框，放置于两磁测井测线之间，其测线布置如图3所示。该方法采用三分量采集，以K1-5孔钻进方向为轴正方向，以孔口所在平面两正交方向为轴及轴正方向。通过判断不同深度三分量瞬变响应曲线形态，即dB/dt、d B,/d t及dB/dt，判定出某一深度处孔旁是否存在异常体。为提升探测精确度同时增大探测效率，首先采样间隔设置为1m，在数据存在明显波动区域即1516 m及18 19 m等多处选取采样间隔0.2m进行复测校核。通过时间域观测，可确定位置数据中存在电磁噪音为50 Hz周期性电磁噪声，+3.6444006+3.6043300+3.7544926+4.3347580+4.0948991+4.1245680+3.7543400+3.9447294+3.8263636+4.0144460无明显异常无明显异常无明显异常18.8 m18.5 m无明显异常无明显异常18.3 m18.2 m无明显异常对其进行剔除处理，对处理后的数据进行绘制，其各分量瞬变响应曲线如图6 图8 所示。观察图中曲线，因管线平面尺寸与回线场耦合等因素影响，、方向上的感应电压形态基本一致，、y、方向响应曲线整体为正。在孔深14m、15m、18.4m 及2 3m处三分量响应曲线均存在感应强度升高变化，其中18.4m处响应曲线升高最为明显，且为负值异常；在孔深58 m处，方向响应曲线均存在感应强度升高异常。结合探测场景对数据曲线进行分析，相较于地下地层，地下燃气管线为金属低阻体，故三分量曲线在管线位置受集流效应作用二次场感应强度明显增大。结合磁测井数据解释成果进行分析，可以得出：孔深18.4m处，三分量上均存在明显的感应强度升高异常，出现较强的负值异常，边界清楚，y方向数值最高为一450 0 nT/s，由地下目标探测管线引起，该处管线中心位置埋深标高约为14.31m(18.4-4.09=14.31)；孔深14m、15m及2 3m处均存在感应强度升高变化，强度较弱，为地下地层变化引起；在孔深58 m处，2方向响应曲线均存在感应强度升高异常，结合前期探勘成果，该处为浅部通电线缆干扰。342工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）第2 0 卷4002000.S.Lu/-200-400-600-800-1000-12005678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2324 25 26 27 28图6 瞬变响应曲线（轴）Fig.6Transient response curve(-axis)chanl,Tot(M)H,chan3,Tot(M)H,chan5,Tot(M)H)chan7,Tot(M)H,chan9,Tot(M)H,chanll,Tot(M)H,chan13,Tot(M)Hchan15,Tot(M)H,深度/m4002000-200S.Lu/-400-600-8001000-12005678910111213141516171819202122232425262728图7 瞬变响应曲线（y轴）Fig.7Transient response curve(y-axis)chan1,Tot(M)H,chan3,Tot(M)H,chan5,Tot(M)H,chan7,Tot(M)H,chan9,Tot(M)H,chanl1,Tot(M)H,chan13,Tot(M)H,chan15,Tot(M)H,深度/m200010000-1000-S.Lu/H-2.000-3000-4000-50005678910111213141516171819202122232425262728深度/m图8 瞬变响应曲线（之轴）Fig.8Transient response curve(&-axis)3.4丝综合解释成果利用井中磁梯度法对目标管线水平位置及埋深进行探测，并使用回线源地一井瞬变电磁法对其深度解释异常区进行探测复核，最终确定该目标管线水平位置如图9所示，实测水平chanl,Tot(M)Hchan3,Tot(M)H,chan5,Tot(M)H,chan7,Tot(M)H.chang,Tot(M)H.chanl1,Tot(M)Hchan13,Tot(M)H,chan15,Tot(M)H位置与设计水平位置偏移约2 m；其中心埋深高程经探测复核最终确定为标高一14.37 m（三次探测结果分别为一14.41m、一14.38 m、一14.31m，对三次结果进行平均以减小误差；测量极差0.1 m)。第3期赵智嵘，等：基于回线源地一井瞬变电磁法和磁梯度法的非开挖深埋燃气管道精确定位应用研究K1-6Kil5 K1-回线源K2KJFig.9Horizontal position diagram of target pipeline4结论与讨论本文将井中磁梯度法及回线源地一井瞬变电磁法应用于对非开挖深埋燃气管线的精确探查，验证了该方法的有效性，同时通过对磁异常数据进行研究分析，得到以下结论：1)利用同一测线上不同钻孔之间的磁场及磁梯度曲线异常，可判断目标燃气管线的水平位置及埋深；2)在靠近目标探测管线时，磁场强度及三分量瞬变响应异常曲线特征突变为“单峰”型，管道中心处为“单峰”曲线顶点。在实测过程中，笔者发现该方法仍存在一定的局限性，如：采用尼龙钻头进行钻探成孔可避免误触管道造成管壁损伤，但施工效率低；电磁类探测方法受环境干扰较大，数据质量较低，处理难度大；根据各孔之间的磁场及磁梯度曲线判定管道的空间位置，存在一定的精度误差。因此还需在方法理论及硬件上进行优化及改进。参考文献：1秦硕，陶文亮，李龙江，等.我国埋地管道非开挖检测技术的发展现状J.现代化工，2 0 18，38（2）：222-226.2张真，刘佳丹，方里，等.非开挖技术的发展现状以及前景分析J.河南科技，2 0 14（7）：43-44.3徐匆匆，马向英，何江龙，等.城市地下管线安全发展的现状、问题及解决办法J.城市发展研究，2 0 13，2 0(3):108-112+118.4王为邦.城市地下管线档案动态更新与利用探索J.343档案管理，2 0 14(5）：8 0-8 1.5吴丹琪，顾紫娟，李威信，等.水平定向钻穿越管道与既有深埋钢质油气管道交叉垂直净距的探讨J.城K1-21市燃气,2 0 18(10)：9-13.K1-16 周鸿流，俞建林.城市地下管线分类及物探探查方法应图例用研究J.工程地球物理学报，2 0 14,11（1)：133-136.实测管道位置7 王羽.RD8000管线探测仪与LD6000管线探测仪的设计管道位置探测方法及应用J.测绘通报，2 0 16（S1）：9 8-10 1.8 雷勤梅，李颖.地质雷达管线探测正演模拟研究J.om4m图9目标管线水平位置示意图工程地球物理学报，2 0 19，16（3）：40 2-414.9周旋.埋地金属管道弱磁检测技术的干扰因素研究D.南昌：南昌航空大学，2 0 18.10 卓路路，孙雷江.上海市地下深埋管线探测方法J.岩土工程技术，2 0 2 1,35(4)：2 6 5-2 6 8.11杨超.基于管线探测法与井中磁梯度法的地下超深金属管线精确定位J.工程地球物理学报，2 0 2 1，18(6):949-954.12孙士辉，朱能发，潘喜峰，等.磁梯度技术在深埋并行金属管线探测中的应用.工程地球物理学报，2016,13(2):184-190.13梁小龙，顾小双，姜铁军，等.井中磁梯度法在探测深埋铁磁性管道中的技术应用J.岩土工程技术，2021,35(6):373-376.14曾奇，王益民.单孔共偏移距钻孔雷达在深埋管线探测中的应用J.工程勘察，2 0 2 1，49（3）：7 3-7 8.15余继红，孙希莹，陆伟华，等.管线探测仪和静力触探仪相结合的探测方法与应用J.现代测绘，2 0 18，41(4):16-20.16王水强，黄永进，李凤生，等.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，2 0 0 5，2(5):353-357.17陈军，陈泽元，杨川.基于深埋管线探测的井中磁梯度方法J.地球科学（中国地质大学学报），2 0 15，40(12):2 110-2 118.18徐长虹，何文峰，韦者良.磁梯度与精确钻孔管线探测技术在轨道交通建设中的研究与应用J.测绘通报,2 0 15(S1):22-26.19牛之琏.时间域电磁法原理M.长沙：中南工业大学出版社，1992.20郭润平，张康，田江环，等.瞬变电磁法大电流多匝重叠小回线装置在岩土工程勘察的应用效果J.工程地球物理学报，2 0 2 1,18（4）：50 3-512.