作者：王胜炎，茅斌辉，顾紫娟
孙斌杰，黄俭，李大海
第一作者单位：杭州市城乡建设设计院有限公司
摘自《煤气与热力》2015年4月刊
1 概述
随着天然气行业的高速发展，天然气管道建设工程也日益增多。得益于非开挖技术的发展，天然气管道在穿越河流、道路时，越来越多地使用水平定向钻或顶管等非开挖工艺。采用非开挖工艺敷设的油气管道通常埋深较深，一般2~15 m，过江管道埋深可达30 m。同时，管道路由不一定是直线，也可能为平面曲线。常规的地下管线探测仪器如英国雷迪探测仪采用电磁感应法仅局限于浅埋管道探测，对埋深超过5 m的管道探测误差很大，一般平面探测误差达埋深的20%~30%，甚至更大或无法探测定位，深度探测误差比平面位置探测误差更大。
近年来，上海、大连、浙江等地陆续发生地下管线受损事故，造成巨大的经济损失，产生恶劣的社会影响。发生的主要原因是非开挖管道竣工资料不准确及探测结果误差较大。
为保障天然气管道安全运行，浙江省早在2007年就已开展针对天然气管道周边第三方施工的安全咨询评估工作，通过评估增强了第三方建设单位、设计、施工及当地政府部门对管道安全风险的认识，建立了安全施工监督机制，对减少事故的发生发挥了极为显著的作用。对做好安全咨询评估工作，确定地下管道的准确位置至关重要。
因此，探寻深埋天然气管道精确探测的方法势在必行。通过对深埋天然气管道探测方法准确性、可靠性的研究，在实践中探索以人工地震波法（包含瑞雷波法、地震映像法）、磁梯度法、孔中雷达法为主的综合探测方法，实现深埋管道平面位置与埋深的精确定位，切实保障管线运行安全。
2 精确探测方法
2.1 人工地震波法
2.1.1 瑞雷波法
瑞雷波法是利用地下管道与其周围介质之间的面波波速差异，测量不同频率激震所引起的面波波速。可探测埋设较深且直径较大的金属或非金属管道。
①瑞雷波的特性
瑞雷波的质点在波传播方向的铅垂面内振动，波面为环状椭圆柱面，质点的运动轨迹为逆时针运动。
能量衰减与1/r（r为波的传播距离）成正比，瑞雷波的衰减要比体波慢得多。
瑞雷波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部成指数衰减，主要能量损失在1倍波长的范围内，而且大部分能量损失在0.5倍波长的范围内，表明瑞雷波某一波长的速度与深度小于0.5倍波长的地层物性有关。
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，其主要特征表现为能量强，速度低。
瑞雷波的传播速度与横波传播速度v具有相关性，瑞雷波传播的速度约为同介质内横波传播速度的0.92倍。
②瑞雷波的探测原理
瑞雷波探测的核心是获取不同频率面波的相速度，同一频率的相速度在水平方向上变化反映介质横向不均匀，垂直方向上变化反映介质纵向不均匀。
瑞雷波探测方法有时间差法、相位差法、稳态法、瞬态法。在地下管线探测中常用瞬态瑞雷波法。瞬态瑞雷波法探测工作布置见图1。测试时在勘探点边放置两个12道低频检波器（每个检波器有12道模块，受图幅所限，图1中只呈现出6个）。震源锤与第1个检波器的第1个模块的距离称为偏移距，通常为探测深度的1/2至1/3。两个低频检波器通过传输电缆分别与接收主机相连。开始测量时，用震源锤敲击地面并产生一个瞬态的垂直脉冲信号，此信号包含有各种不同的频率成分。检波器接收到信号后，在接收主机的屏幕上显示出来，经过多次叠加平均后，存入内存。检波器的各模块等间距排列，间距开始时可为0.5 m，这时探测的深度较浅，测出的瑞雷波的速度反映靠近地表附近的物质特性。随后，间距可扩大为1 m、2 m、4 m等。间距的扩大程度视探测深度的大小而定。当间距增大后，检波器接收的低频信号成分不断增加，因而能反映地下更深处的物质信息。
图1 瞬态瑞雷波法探测工作布置
瞬态瑞雷波法探测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，将瞬时冲击作单频谐振的叠加，对记录信号作频谱分析处理，计算并绘制速度-频率或速度-波长曲线，分析地下天然气非开挖管道的存在状况。该方法对深埋的非开挖管道平面位置的定位准确，实践中该法可以成功地探测到多处深埋的天然气非开挖管道。
2.1.2 地震映像法
地震映像法又称单道地震法，是基于反射波法中最佳偏移距技术的一种常用浅层地震方法。地震映像法与瑞雷波法类似，是采用锤击激发震源形式。在离震源一定距离设置单道检波器接收地下反射波，并由地震仪记录显示，逐点进行激发接收，检波器与震源同时等距同向平移，获取地下丰富的波场特征资料。对采集到的地震记录，经计算机在时间域和频率域上进行处理后，可推断地下地层、地下管线结构信息。地震映像法具有配置灵活、分辨率高、图像操作简单直观、资料成果简单明了易于辨认、高效经济的优势。深埋天然气管道地震映像法图像见图2（图中红线簇为管道位置）。
图2 深埋天然气管道地震映像法图像
2.2 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的验证手段，通过比较磁梯度和其他相关探测方法的探测结果，评价其他相关探测方法的有效性。
一般非开挖工艺敷设的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，在根据其他探测方法定位出的地下管线一侧钻孔（钻孔深度不需要达到管道埋深，1～2 m即可满足要求），成孔后将塑料管下至孔中，随即将磁梯度仪的探头放到塑料管内（见图3a），从孔底部开始以0.2 m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准确地确定地下管线的埋深。磁梯度仪生成探测成果图像见图3b。
图3 磁梯度法探测
2.3 孔中雷达法
孔中雷达技术是一种井中地球物理方法, 它采用超高频雷达技术（频率逾500 MHz），分辨率高，向地层发射高频电磁波，利用电磁波在地层中的传播特性来获取地层信息，从而解释地下构造，具有较高的分辨率和较大的探测范围。钻孔地质雷达主要有两种工作模式，一种是单孔反射模式，另一种是跨孔层析成像模式。钻孔雷达最初应用于核废料处理，现在广泛用于工程领域，具有很好的应用前景。孔中雷达可实现井（孔）下20 m内的360°全方位扫描，扫描深度可达3 m，分辨率小于10 cm。主要用于地下洞穴的地质勘测、建筑物地基检测、地下（管线）设施检测等。
3 精确探测技术应用案例
3.1 大口径深埋天然气管道精确探测
①污水管顶管碰到天然气管道
某市污水干管工程，从西到东穿越一条高速公路、三条天然气管道，三条天然气管道平行于高速公路(见图4)，自高速公路向东依次为D610绕城高压管道， D529中压管道， D273中压管道。三条天然气管道穿越河流均采用非开挖定向钻敷设。污水干管的穿越长度约280 m，采用DN 2 000 mm钢筋混凝土管泥水平衡法顶管工艺，污水管穿过高速公路桥下空间后沿河边6 m左右平行于河岸敷设，管顶埋深约11 m。建设单位原先委托的探测单位采用电磁感应法辅以静力触探法，由于探测结果有误，2013年12月27日当顶管施工进行到离接收井尚有70 m的位置时碰到了不明物而停工，一周后地面钻孔中开始持续检测到泄漏的天然气，经过调查确认碰到的是D610高压管道。天然气公司迅速采取应急措施，关闭该管道两侧的阀门，由于该段管道为双气源供气，否则事故将造成大面积停气。
图4 污水管与天然气管道位置关系
原探测是在电磁感应法受到干扰无法精确定位的情况下采用静力触探法，通过沿管道垂直方向打排孔的方法，试图用排除法找到管道的确切位置，结果是该方法可能碰到石块等硬物而误导探测结果。
经过专家会议研究，事故高压管道作改线处理，顶管机头与高压管道相碰处重做一座顶管工作井。事故证明采用电磁感应法辅以静力触探法无法满足探测精度要求。在污水管道标高难以调整的前提下，为确保后续顶管时两条中压天然气管道的安全，要求探测单位采用地震映像法、磁梯度法等综合探测方法，精确探测两条深埋中压天然气管道的空间位置。
②精确探测工序
天然气公司工作人员现场交底，明确探测目标；
应用电磁感应法追踪天然气管道的大致位置；
在污水顶管与天然气管道交叉区域，布置地震映像法纵横测线共48条；
采用多道高精度地震仪现场采集数据；
对工作站地震仪记录的资料进行处理、分析；
根据地震映像法成果图（见图5），确定天然气管道的平面位置；
采用磁梯度法验证探测成果。
图5 地震映像法成果图
③精确探测成果
经过近半个月的探测施工、资料处理分析，完成精确探测工作。建设单位在施工场地组织各有关单位参加现场精确探测成果交底会，停工半年的污水干管工程得以顺利实施。
3.2 小口径深埋天然气管道精确探测
①精确探测工序
天然气公司工作人员现场交底，明确探测目标；
应用电磁感应法追踪天然气管道的大致位置；
在河中布置地震映像法纵横测线共36条；
采用多道高精度水上地震仪现场采集数据；
对工作站地震仪记录的资料进行处理、分析；
根据地震映像法资料，确定天然气管道的平面位置；
采用孔中雷达法验证探测成果。
②精确探测成果
通过地震映像法、磁梯度法及孔中雷达法等综合探测方法，探明了河底小口径天然气管道的精确位置（见图6），探测误差小于0.15 cm。桥梁拓宽工程得以顺利实施，也确保了天然气管道的安全。
图6 精确探测成果
4 结语
①单纯采用电磁感应法辅以静力触探法探测深埋天然气管道，受电磁干扰影响数据往往失真，凡附近有其他金属管道或高压输电线路等复杂情况均会产生干扰，从而影响测试结果；静力触探方法易损坏管道且易误探，也不适用于探测天然气管道。
②深埋天然气管道的精确探测是地下工程设计施工中新的难题，常规的探测方法对深埋管道的精准定位通常束手无策。瑞雷波法、地震映像法、磁梯度法、孔中雷达法等是深埋天然气管道实现精准探测的有效方法。但不同的探测方法因探测原理不同，各有不同的适用范围，在实践中通过采用多种方法相互验证，可以很好地解决探测方法的局限性、模糊性、多解性难题，确保地下管线的安全。
③后期建设工程凡采用非开挖方法施工或实施桩基工程，如遇已建天然气管道埋深超过5 m的情况，应当优先采用精确探测定位方法，切实保障管道安全。
④建议在实践中加强对新敷设地下天然气管道的精确跟踪测量，有助于避免第三方施工对天然气管道的破坏，从而为天然气管道长期安全、稳定运行奠定基础。
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