摘　要：針對(duì)深埋天然氣管道采用常規(guī)探測(cè)方法無(wú)法精確探測(cè)的問(wèn)題，提出通過(guò)瑞雷波法、地震映像法、磁梯度法、孔中雷達(dá)法等多種工程探測(cè)方法的綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)管道精確探測(cè)。結(jié)合兩個(gè)典型工程案例，驗(yàn)證管道精確探測(cè)技術(shù)的可靠性。?

關(guān)鍵詞：深埋管道；??精確探測(cè)；??瑞雷波法；　地震映像法；磁梯度法；??孔中雷達(dá)法

Abstract：In view of the problem that deep buried natural gas pipeline can not accurately be detected?by conventional detection methods，the comprehensive?use of rayleigh wave method，seismic imaging method，magnetic gradient method and hole radar method is?proposed to achieve accurate detection of deep buried?natural gas pipeline．Combined with two typical engineering cases，the reliability of accurate detection teehnology of deep buried natural gas pipeline is verified．

Keywords：deep buried pipeline；accurate detection；rayleigh wave method；seismic imaging method；magnetic gradient method；hole radar method

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隨著天然氣行業(yè)的高速發(fā)展，天然氣管道建設(shè)工程也日益增多。得益于非開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展，天然氣管道在穿越河流、道路時(shí)，越來(lái)越多地使用水平定向鉆或頂管等非開(kāi)挖工藝。采用非開(kāi)挖工藝敷設(shè)的油氣管道通常埋深較深，一般2～15m，過(guò)江管道埋深可達(dá)30m。同時(shí)，管道路由不一定是直線(xiàn)，也可能為平面曲線(xiàn)。常規(guī)的地下管線(xiàn)探測(cè)儀器如英國(guó)雷迪探測(cè)儀采用電磁感應(yīng)法僅局限于淺埋管道探測(cè)^[1]，對(duì)埋深超過(guò)5m的管道探測(cè)誤差很大，一般平面探測(cè)誤差達(dá)埋深的20％～30％，甚至更大或無(wú)法探測(cè)定位，深度探測(cè)誤差比平面位置探測(cè)誤差更大^[2]。

近年來(lái)，上海、大連、浙江等地陸續(xù)發(fā)生地下管線(xiàn)受損事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。發(fā)生的主要原因是非開(kāi)挖管道竣工資料不準(zhǔn)確及探測(cè)結(jié)果誤差較大。

為保障天然氣管道安全運(yùn)行，浙江省早在2007年就已開(kāi)展針對(duì)天然氣管道周邊第三方施工的安全咨詢(xún)?cè)u(píng)估工作，通過(guò)評(píng)估增強(qiáng)了第三方建設(shè)單位、設(shè)計(jì)、施工及當(dāng)?shù)卣块T(mén)對(duì)管道安全風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，建立了安全施工監(jiān)督機(jī)制，對(duì)減少事故的發(fā)生發(fā)揮了極為顯著的作用。對(duì)做好安全咨詢(xún)?cè)u(píng)估工作，確定地下管道的準(zhǔn)確位置至關(guān)重要。

因此，探尋深埋天然氣管道精確探測(cè)的方法勢(shì)在必行。通過(guò)對(duì)深埋天然氣管道探測(cè)方法準(zhǔn)確性、可靠性的研究，在實(shí)踐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、孔中雷達(dá)法為主的綜合探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)深埋管道平面位置與埋深的精確定位，切實(shí)保障管線(xiàn)運(yùn)行安全。

人工地震波法一探測(cè)的基本原理是利用不同介質(zhì)有不同的波阻抗值，可產(chǎn)生彈性界面，當(dāng)界面兩側(cè)的彈性波速度和波阻抗差值達(dá)到一定程度時(shí)，地震波法探測(cè)即會(huì)取得滿(mǎn)意的探測(cè)效果。在地表利用人工震源進(jìn)行激震時(shí)，激震點(diǎn)附近的土層產(chǎn)生彈性震動(dòng)，形成彈性波(通常稱(chēng)為地震波)，在地下傳播的地震波遇到不同彈性介質(zhì)的分界面時(shí)(如地下金屬或非金屬管線(xiàn)與周?chē)貙拥姆纸缑?，會(huì)產(chǎn)生反射、折射和透射，根據(jù)地震波的這些傳播特性，分析研究傳播規(guī)律，可以確定地下目標(biāo)體(如各種管道)的存在位置。

2．1．1瑞雷波法

瑞雷波法是利用地下管道與其周?chē)橘|(zhì)之間的面波波速差異，測(cè)量不同頻率激震所引起的面波波速。可探測(cè)埋設(shè)較深且直徑較大的金屬或非金屬管道。

①瑞雷波的特性

a．瑞雷波的質(zhì)點(diǎn)在波傳播方向的鉛垂面內(nèi)振動(dòng)，波面為環(huán)狀橢圓柱面，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

b．能量衰減與1／(r為波的傳播距離)成正比，瑞雷波的衰減要比體波慢得多。

c．瑞雷波的水平和垂直振幅從彈性介質(zhì)的表面向內(nèi)部成指數(shù)衰減，主要能量損失在1倍波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，而且大部分能量損失在0.5倍波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，表明瑞雷波某一波長(zhǎng)的速度與深度小于0.5倍波長(zhǎng)的地層物性有關(guān)。

d．面波具有不同的振型，各種振型具有不同的截止頻率，其中基階振型波的截止頻率為無(wú)窮大，其主要特征表現(xiàn)為能量強(qiáng)，速度低。

e．瑞雷波的傳播速度與橫波傳播速度可具有相關(guān)性，瑞雷波傳播的速度約為同介質(zhì)內(nèi)橫波傳播速度的0.92倍。

②瑞雷波的探測(cè)原理

瑞雷波探測(cè)的核心是獲取不同頻率面波的相速度，同一頻率的相速度在水平方向上變化反映介質(zhì)橫向不均勻，垂直方向上變化反映介質(zhì)縱向不均勻。

瑞雷波探測(cè)方法有時(shí)間差法、相位差法、穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法。在地下管線(xiàn)探測(cè)中常用瞬態(tài)瑞雷波法^[4]。瞬態(tài)瑞雷波法探測(cè)工作布置見(jiàn)圖1。測(cè)試時(shí)在勘探點(diǎn)邊放置兩個(gè)12道低頻檢波器(每個(gè)檢波器有12道模塊，受圖幅所限，圖1中只呈現(xiàn)出6個(gè))。震源錘與第l個(gè)檢波器的第l個(gè)模塊的距離稱(chēng)為偏移距，通常為探測(cè)深度的1／2至1／3。兩個(gè)低頻檢波器通過(guò)傳輸電纜分別與接收主機(jī)相連。開(kāi)始測(cè)量時(shí)，用震源錘敲擊地面并產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的垂直脈沖信號(hào)，此信號(hào)包含有各種不同的頻率成分。檢波器接收到信號(hào)后，在接收主機(jī)的屏幕上顯示出來(lái)，經(jīng)過(guò)多次疊加平均后，存入內(nèi)存。檢波器的各模塊等間距排列，間距開(kāi)始時(shí)可為0.5m，這時(shí)探測(cè)的深度較淺，測(cè)出的瑞雷波的速度反映靠近地表附近的物質(zhì)特性。隨后，間距可擴(kuò)大為1m、2m、4m等。間距的擴(kuò)大程度視探測(cè)深度的大小而定。當(dāng)間距增大后，檢波器接收的低頻信號(hào)成分不斷增加，因而能反映地下更深處的物質(zhì)信息。

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瞬態(tài)瑞雷波法探測(cè)以瞬態(tài)沖擊作為震源，激發(fā)瑞雷波，離震源稍遠(yuǎn)處，傳感器記錄到的基本是瑞雷波的垂直分量，將瞬時(shí)沖擊作單頻諧振的疊加，對(duì)記錄信號(hào)作頻譜分析處理，計(jì)算并繪制速度一頻率或速度一波長(zhǎng)曲線(xiàn)，分析地下天然氣非開(kāi)挖管道的存在狀況。該方法對(duì)深埋的非開(kāi)挖管道平面位置的定位準(zhǔn)確，實(shí)踐中該法可以成功地探測(cè)到多處深埋的天然氣非開(kāi)挖管道。

2．1．2地震映像法^[5]

地震映像法又稱(chēng)單道地震法，是基于反射波法中最佳偏移距技術(shù)的一種常用淺層地震方法。地震映像法與瑞雷波法類(lèi)似，是采用錘擊激發(fā)震源形式。在離震源一定距離設(shè)置單道檢波器接收地下反射波，并由地震儀記錄顯示，逐點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)接收，檢波器與震源同時(shí)等距同向平移，獲取地下豐富的波場(chǎng)特征資料。對(duì)采集到的地震記錄，經(jīng)計(jì)算機(jī)在時(shí)間域和頻率域上進(jìn)行處理后，可推斷地下地層、地下管線(xiàn)結(jié)構(gòu)信息。地震映像法具有配置靈活、分辨率高、圖像操作簡(jiǎn)單直觀(guān)、資料成果簡(jiǎn)單明了易于辨認(rèn)、高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。深埋天然氣管道地震映像法圖像見(jiàn)圖2(圖中紅線(xiàn)簇為管道位置)。

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井中磁梯度探測(cè)可作為保證探測(cè)管道深度可靠性的方法的驗(yàn)證手段，通過(guò)比較磁梯度和其他相關(guān)探測(cè)方法的探測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)其他相關(guān)探測(cè)方法的有效性。

一般非開(kāi)挖工藝敷設(shè)的地下管線(xiàn)屬于強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)，在其周?chē)鷧^(qū)域分布有較強(qiáng)的磁場(chǎng)。野外作業(yè)時(shí)，在根據(jù)其他探測(cè)方法定位出的地下管線(xiàn)一側(cè)鉆孔(鉆孔深度不需要達(dá)到管道埋深，1～2m即可滿(mǎn)足要求)，成孔后將塑料管下至孔中，隨即將磁梯度儀的探頭放到塑料管內(nèi)(見(jiàn)圖3a)，從孔底部開(kāi)始以0.2m的間隔依次往上測(cè)量各點(diǎn)的磁梯度值。根據(jù)磁梯度值的變化可以準(zhǔn)確地確定地下管線(xiàn)的埋深。磁梯度儀生成探測(cè)成果圖像見(jiàn)圖3b。

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孔中雷達(dá)技術(shù)是一種井中地球物理方法，它采用超高頻雷達(dá)技術(shù)(頻率逾500MHz)，分辨率高，向地層發(fā)射高頻電磁波，利用電磁波在地層中的傳播特性來(lái)獲取地層信息，從而解釋地下構(gòu)造，具有較高的分辨率和較大的探測(cè)范圍。鉆孔地質(zhì)雷達(dá)主要有兩種工作模式，一種是單孔反射模式，另一種是跨孔層析成像模式。鉆孔雷達(dá)最初應(yīng)用于核廢料處理，現(xiàn)在廣泛用于工程領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景?？字欣走_(dá)可實(shí)現(xiàn)井(孔)下20m內(nèi)的360°全方位掃描，掃描深度可達(dá)3m，分辨率小于10cm。主要用于地下洞穴的地質(zhì)勘測(cè)、建筑物地基檢測(cè)、地下(管線(xiàn))設(shè)施檢測(cè)等。