穿越管道的精确探测技术方法
时间：2021-01-28 08:04:02 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘 要：采用穿越技术铺设的地下油气管道具有埋深大、路由常呈曲线状的特点，传统的地下管线探测技术和方法无法准确探测该类管道，本文阐述了多种穿越管道精确探测的方法技术。
关键词：穿越；非开挖管道；精确定位；探地雷达；磁梯度；人工地震
1 概述
1.1 高速发展的穿越铺设管线技术
伴随着西气东输、川气东送等国家重点项目建设高速发展，穿越铺管技术（水平定向钻HDD施工技术）以其特有的先进性、成熟性、适应性，在国内地下管线建设中广泛应用。特别是在江浙沪河流众多的地区，穿越河流、道路、障碍物铺设管道，得到了工程领域和社会各界的重视和赞誉。目前整个江浙沪地区约有20万段采用穿越方式铺设的管道。
1.2 穿越（水平定向钻HDD）铺管技术简介
水平定向钻进（HDD）铺管技术是一种先进的穿越施工新技术，主要用于穿越河流、马路、公路、铁路、建筑物等障碍物铺设各种管道（包括电力电缆、信息管道、热力管道、油气管道、给排水管道等）。水平定向钻进的基本原理：
1.2.1 导向钻进
按预先设定的地下铺管轨迹钻一个小口径先导孔，即在水流和机械切削的共同作用下（钻头旋转）实现直线钻进，在水流和静压下依靠钻头板斜面上的横向力（钻头不转）实现造斜，改变方向和深度。在钻进导向孔时能否按设计轨迹钻进，钻头的准确定位及变向控制非常重要。钻进过程中对钻头的监测方法主要通过随钻测量（MWD）技术获取孔底钻头的有关信息。孔底信号传送的方法主要有：电缆法和电磁波法。电磁波法的测量范围较小，一般在300m以内水平发射距离，测量深度在15m左右。电磁波法测量的原理为：在导向钻头中安装发射器，通过地面接收器，测得钻头的深度、鸭嘴板（或牙轮）的面向角、钻孔顶角、钻头温度和电池状况等参 数，将测得参数与钻孔轨迹进行对比。距离在500m-2000m，则需要使用地磁导向系统或有线导向系统。
1.2.2 扩孔
在先导孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔。
1.2.3 拖管
当扩孔至尺寸要求后，在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和待铺管道（钢管、塑料管、水泥管等），回拉铺设地下管线。
1.3 存在问题
穿越技术铺设的管道，具有埋深大（5-30米），路由呈曲线状的特点，在电磁干扰大的区域，对定向控向和物探设备干扰很大，影响所测管线平面和竖向位置的精度。目前国内各行业穿越施工单位的工程竣工图与管道的实际空间位置误差较大（10～30%），尤其是在干扰大的城区，误差在30%以上，测绘部门提供的跟测资料也存在着同样问题。这种令人担忧的状况对国内地下管线的规划管理、建设施工及地下空间的合理利用产生重大影响，近年来许多重大地下管线受损事故发生的主要原因均是穿越管道竣工资料不准及物探成果误差大。穿越管道无法精确探测问题，严重阻碍了穿越工程技术的推广和应用。
本人长期从事成品油管道的建设、运维及技术管理工作。在领导和同事的大力支持和帮助下，与大学及科研机构合作，自2008年开始了着手研究穿越油气管道精确测定技术，并在实践中反复应用改进，形成了精确测定穿越管道的一系列有效探测方法和技术。
2 探地雷达法
探地雷达（ground pentrating/probing radar）简称GPR，是通过对地下目的物及地质现象进行高频电磁波扫描来确定其结构形态及位置的地球物理探测方法。当目标体或者掩埋物与周围介质间存在着一定的电磁物性差异时，使用本方法可以很好地解决工程及地质问题。
探地雷达通过控制电路产生一定间隔的一系列电磁短脉冲，以宽频带短脉冲（Ti）的形式，由地面通过发射天线送入地下，Ti经过地下地层或目的体的反射后返回Ri至地面；被接收天线接收，送到控制电路，同时由计算机控制实行野外实时数据采集。根据反射波形的特征及能量的强弱，经计算机相应处理软件处理，即可确定地下管线的存在及位置。
V：介质中的波速
Z：目的物埋深
X：发射、接收天线之间的距离
t：脉冲波的行程
当地下介质中波速V为已知时，可根据测到的t值（ns，lns=10-9s）由上式求出目的物的深度h（m）。V值（m/ns）可以用宽角方式（WAAR）直接测量，根据V≈C/ 近似算出（当介质的导电率很低时）。其中C为光速（C=0.3m/ns），ε为地下介质的相对介质介电常数值。
①雷达反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿透介质的吸收程度有关：
当目的物与周围介质电磁性参数差别较大时，反射系数也大，因而反射波的能量也大，反射系数除与入射角大小有关外，还与介质的含水量有关。
②地质雷达的分辨率，指纵向分辨率与横向分辨率。雷达的纵向分辨率取决于雷达脉冲子波的宽度，其关系式为： ，式中为有效频带宽度，Δt为分辨界面的有效波形之间的时间间隔。实际应用中一般采用半波长作为分辨率的衡量标准，而雷达横向上的分辨率问题，则决定于介质的吸收特性，雷达的横向分辨率与天线的极化方向以及目的物的物理属性、雷达主频及目的物的埋深有关。
我们采用地质雷达法，测定埋深较浅（3米内）的穿越管道（钢管、塑料管），效果良好。对于埋深大的管道（大于5米），用探地雷达可精确的探测出入土点。
3 磁梯度法
井中磁梯度探测可作为保证探测管道深度可靠性的方法技术的验证手段，通过比较磁梯度和其他相关物探方法的探测结果，评价其他相关物探方法的有效性。
一般穿越敷設地下管线属于强铁磁性物质，在其周围区域分布有较强的磁场，野外作业时，在根据其他物探方法定位出的地下管线一侧钻孔，成孔后将空心塑料管下至孔中，随即将磁力梯度仪的探头放到塑料管内，从孔底开始以0.20m的间隔依次往上测量各点的磁梯度值。根据磁梯度值的变化可以确定地下管线的埋深及平面位置。
在苏州华能热电60公里管道建设中，我们要求建设采用该技术对成品油管道的准确埋深进行测定，有效地保护了我们成品油管道，同时为苏州华能公司的管道建设提供了准确资料，加快了地方工程建设进度，受到苏州华能集团的高度评价。
4 人工地震波法
地震波法探测的基本原理是利用不同介质有其不同的波阻抗值（密度σ.速度V），可产生弹性界面，当界面两侧的弹性波速度和波阻抗差达到一定程度时，地震波法探测即会取得满意的探测效果。
在地表利用人工震源进行激震时，激震点附近的土层产生弹性震动，形成弹性波（通常称为地震波），在地下传播的地震波遇到不同弹性介质的分界面时（如地下金属与非金属管线与周围地层的分界面），会产生反射、折射和透射，根据地震波的这些传播特性，分析研究其传播规律，可以确定地下目标体的存在位置。
在地下管线探测中，比较常用的探测技术是瑞雷波法（面波法）。利用地下管道与其周围介质之间的面波波速差异，测量不同频率激振所引起的面波波速。可探测埋设较深且口径较大的金属或非金属管道。
瑞雷有如下特性：
①瑞雷波的，質点在波动传播方向的铅垂面内振动，波面为一环状椭圆柱，质点的运动轨迹为反时针运动。
②能量衰减则与成正比，因此，瑞雷波的衰减要比体波慢得多。
③瑞雷波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数衰减，主要能量损失在一个波长的深度内。而且大部份能量损失在二分之一波长的深度内。说明瑞雷波某一波长的速度与深度小于二分之一波长的地层物性有关。
④面波具有不同的振型，各种振型具有不同的截止频率，其中基阶振型波的截止频率为无穷大，其主要特征表现在能量强，速度低。
⑤瑞雷波的传播速度VR与横波传播速度VS具有相关性。误差大致在5%左右。
瑞雷面波勘探的核心是获取不同频率面波的相速度VR，同一频率VR在水平方向上变化反映介质横向不均匀；同一频率VR的变化反映介质纵向不均匀。
瑞雷面波勘探方法有时间差法、相位差法及稳态瞬态方法，在地下管线探测中常用瞬态瑞雷面波勘探。瞬态瑞雷面波勘探以瞬态冲击作为震源，激发瑞雷波，离震源稍远处，传感器记录到的基本是瑞雷波的垂直分量，将瞬时冲击着作单频谐振的迭加，对记录信号作频谱分析处理，计算并绘制VR-f或VR-λ曲线。分析地下非开挖管道的赋存状况。
该方法对确定埋深大的穿越管道平面位置的确定十分准确，我们要求南京公路处，在疏港大道工程中应用该技术，准确测定了成品油、西气东输、川气东送和港华等深部油气管线，取得良好效果，为南京城市工程建设提供了有效的技术手段。
6 结束语
穿越管道精确探测是一项非常重要而艰巨的工作。探地雷达、浅层地震法、磁梯度法是目前较为有效的深部油气管道精探测技术方法，其中浅层地震法是国内外精度较高的管道探测技术。综合使用这些方法可解决各穿越管道精确探测问题，推动穿越铺管技术的推广应用。
感谢北京航空航天大学宋华教授及上海市地质调查研究院王永高工为本文提供了基础资料。
参考文献：
[1]李大庆.探地雷达方法和应用[M].北京：地质出版社，1994.
[2]余志明.浅谈非开挖管道的探测技术方法[J].广东建材，2008（8）：160.
[3]童立元，陈征宙，方磊，等.瞬态瑞雷波法在工程检测中的应用研究[J].水文地质工程地质，1996（6）：52-56.
作者简介：
陈亮（1984- ），男，工程师，长期从事油气管道的管理和探测技术研究。
