地震映像法和井中磁梯度法在大埋深钢筋砼管道探测中的综合应用

地震映像法和井中磁梯度法在大埋深钢筋砼管道探测中的综合应用

许凡

上海昌发岩土工程勘察技术有限公司 上海 200444

摘要：针对大埋深钢筋砼管道（特别是不具备开井测量条件的情况），常规的低频电磁感应法无法达到探测目的。基于探寻对该类管道的有效探测方法为目的，通过对技术原理和优缺点等方面的分析，结合一个工程实例，得出了地震映像法和井中磁梯度法两种方法综合应用可以有效、准确地探测大埋深钢筋砼管道的结论，并对比常规地下管线探测方法，将两种方法的优势和限制进行了阐述，说明了物探工作积极试验、多技术综合运用的必要性。

关键词：地震映像法；井中磁梯度法；管线探测

1 引言

在城市工程建设中，由于设计、施工等工作的需要，常常会利用物探技术对地下管线进行探测。在各类地下管线中，排水管道广泛地使用了钢筋砼作为基本材料，较多管段埋深较深，又不便打开检查井测量。针对该类管道，哪种物探方法能够满足探测需求是物探单位面临的重要问题。

常规的地下管线探测方法是低频电磁感应法（利用管线探测仪探测地下管线），这种方法设备便携、操作简单、精度较高，是良好的地下管线探测技术手段，但由于该方法是利用探测目标和介质体的电磁性来探测地下管线的，加之其发射频率低，所以无法探测以非金属材质为主的地下管道，且有效探测深度一般只能达到3-5米，在探测大埋深钢筋砼管道时，这种方法无法满足需求。那么遇到该类管道时，如何有效探测？通过运用探地雷达法、地震映像法、高密度电阻率法、井中磁梯度法等物探方法对该类管道进行对比探测，发现将地震映像法和井中磁梯度法结合应用，探测效果良好。

2 技术原理

2.1 地震映像法工作原理

该方法也叫“单道震法”，是在反射波最优等距原理基础上发展出来的一种探测方法。[1]现场探测时利用敲击锤等各类工具作为震源，敲击或炮击地面，以产生地震波。地震波在向地下传播时，触及地下各介质层的分界面，会向地面反馈不同能量的反射波，由检波器接收采集反射波数据后传入地震仪，随后由地震仪放大信号和采样，形成波形数据记录。经计算机和人工计算处理，获得探测目标的走时和深度信息，大致确定探测目标的位置等信息。地震映像法每一采集道均采用相同的偏移距，在该偏移距下地面接收到的反射波应该有良好的信噪比和分辨率。[2]

地震映像法计算公式如下：

式中:t——弹性波双程走时，单位：毫秒（ms）；

Z——反射点距离地面的埋深，单位：米（m）；

x——地震仪的收发距，单位：米（m）；

V——介质中弹性波的波速，单位：米/毫秒（m/ms）。

2.2 井中磁梯度法工作原理

井中磁梯度法是磁法的一种，主要服务于铁磁性目标的探测。针对地下管线，探测目标往往埋设在土壤内，而土壤的磁性相对较低。实际探测中，经过仪器探测目标管线在地球磁场影响下产生的极强的磁性和周边介质体的磁性差异产生的异常来判断管线的各类信息。[3]井中磁梯度法因其主要在井中探测，单井用于确定探测目标的埋深，通常由与目标管线不同距离的多井数据综合判断管线的平面位置。

相关磁场强度和磁梯度值的计算公式如下（距离测试井旁d处沿深度z方向上的磁场强度和磁梯度）：

式中：   ，m为管道磁度量，L为埋设深度，Z为磁场强度，△Z为磁梯度

根据探测到的数据，可利用计算机绘制出磁梯度随深度变化的剖面曲线，从而获得探测异常信息，经过人工识图，就可判断出管道的大致位置及深度。

3 应用实例

以某指定合流管道探测项目为例展开讨论。该项目位于上海市，由于地块开发，拟对一泵站至道路的管道进行改迁，需要在道路南侧增设一处骑马井。受甲方委托，我司对拟建骑马井处合流管道采用综合物探方法进行了精细探测。

目标合流管道共两根，管径为2360mm，两管道平行敷设，材质为钢筋砼，与拟建骑马井位置关系见图1。经方法试验，低频电磁感应法、探地雷达法和高密度电阻率法等常用方法探测效果均不理想，且现场未找到可供测量的检查井，地震映像法剖面分辨率良好，但因现场浅层杂填土分布较厚，推测管道上方介质层内各类垃圾密布，地震波波速计算误差较大，故埋深信息难以计算准确。应对埋深问题，井中磁梯度法探测剖面磁梯度异常显示清晰，探测效果良好，故考虑结合地震映像法和井中磁梯度法两种方法进行探测，应用地震映像法确定目标管道平面位置，应用井中磁梯度法确定目标管道埋深。

图1 目标合流管道与拟建骑马井位置关系图

3.1 地震映像法探测平面位置

由于本项目精度要求较高，结合方法试验结果，地震映像探测设定参数为收发距1.6m，道间距0.2m，共布置8条测线，取代表性的一条测线剖面进行分析，其实测波形见图2。

图2 某测线地震映像探测成果剖面图

测线约10.0m～13.5m、15.0m～19.0m，深度约0.05s处地震波出现强反射界面，且不连续，两组同相轴波形均形似于倒置双曲线，与管道的理论波形相符，推测为目标合流管道的地震波异常反应。

3.2 井中磁梯度法探测管道埋深

井中磁梯度测试设置采样间距0.1m，取代表性的两孔剖面进行分析，其实测磁梯度曲线见图3。

图3 井中磁梯度测试成果剖面图

Z14井中，约5-9米深度位置磁梯度曲线呈“S”形，推断为目标管道的探测异常，其中心位置埋深约7米；Z21井中，约5-9.5米深度位置磁梯度曲线呈“S”形，推断为目标管道的探测异常，其中心位置埋深约7.2米。结合目标管道尺寸和多井探测成果分析，目标管道管顶埋深约为5.5米。

3.3 钻探验证

根据地震映像法、井中磁梯度测试的结果，基本确定了目标管道大致的平面位置及深度，为了尽可能地提高探测精度，确定合流管道的边界，现场采用了水冲钻孔的方式对合流管道的边界位置进行了触探验证，经钻探，西侧管道东西边界距测线起始位置分别为13.30、10.64米，东侧管道东西边界距测线起始位置分别为18.78、16.12米，两管管顶埋深约为5.55米。由钻探验证结果可见，上述物探成果准确、有效。

4 结语

（1）研究表明了地震映像法和井中磁梯度法在探测大埋深、较大管径钢筋砼管道的有效性和准确性；

（2）地震波波形较长，过小的探测目标在波形图中无法形成完整的波形曲线异常，难以在剖面图中识别出来；在地下浅部位置时，因直达波和面波丰富，反射波往往容易被覆盖，导致无法识别波形异常，故一般建议在直径＞1米、埋深＞3米的管道探测时考虑地震映像法；

（3）相较于常用的低频电磁感应法、探地雷达法，地震映像法具有穿透性强的优势，且可以“忽略”浅部管线的干扰，在诸多地质条件复杂或浅层管线密布的探测区域，电磁感应法往往无法呈现良好的探测效果，而地震映像法可以满足需求；

（4）井中磁梯度法利用探测目标的磁性来进行探测，故无能力探测非金属管线。另外，因该方法主要在井中进行探测，单一测试井无法获得探测目标的平面位置信息，在实例中通常会综合多个与探测目标不同距离的测试井的异常数据对目标平面位置进行判断。[3]这种判断方法精度不高，且工作量难以估计，一般建议应用井中磁梯度法确定管线的埋深信息，结合其他物探方法或水冲钻孔触探来判断探测目标的平面位置信息；

（5）在城市中，由于大量的工程建设，地下浅层杂填土填料成分不一，加之其厚度通常较大，导致在物探工作时难以估计各类传播介质的波速；另外，在诸多繁华的平原地区，浅层往往分布着大量的钢筋、管线、桩基，地下水位较浅，且土质含水量较高，故许多物探项目很难通过单一方法达到探测目的，需结合现场情况和方法试验结果，制定综合物探方案。

参考文献

[1] 肖顺, 张永命, 任建平. 地震映像法在超深管线探测中的应用[J]. 城市勘测, 2014(2):1.

[2] 冯凯. 地震映像法在城市小型场地探测中的应用研究——以2处大型顶管工程的障碍物探测项目为例[J]. 中国市政工程, 2022(6):6.

[3] 张利波, 任攀虹. 磁梯度技术在深埋管线探测中的应用研究[J]. 工程技术与应用, 2022(10):7.
 

作者简介：
许凡，1996.7，男，汉，江苏无锡，本科，助理工程师，工程物探