上海市岩土地质研究院有限公司
摘要：地球物理（物探）是围绕物理性质开展地下探测工作，在其针对地下管线探测项目中应用物探法时，可增加探测结果的精准度，提高探测效率。本文主要以上海石化-闵行油库成品油管道工程为研究对象，简要分析地下管线特征、意义与物探前提准备，经由磁偶极感应探测、夹钳与直接探测、工频与示踪波探测、管线探地雷达法、磁梯度与管道探测、水陆障碍物探测方法，以供同行业借鉴。
关键词：地球物理探测；地下管线；成品油管道
前言：地下管线常涉及通讯、电力、天然气等生活必需条件埋设的管线。若在施工中未能准确识别管线布局位置、敷设轨迹，很容易引发管线事故，造成人民群众遭受经济及生命损失。而物探法是采用无损探测的方式，为成品油管道的建设创造有利条件，进而准确了解探测区域内管线埋设情况，保障施工安全。
一、工程概况
上海石化-闵行油库成品油管道工程II标段物探项目，全线长度60km，共划分为两个标段，本文以II标段为主，其起点是在上海石化金山站点，项目终点则在闵行站，其标段项目中的全线长为21.2km，途经松江区、闵行区。在该项目建设中，主要包含为成品油管道规划与设计、施工任务。目前，现已建成4MPa天然气管道，其成品油管道需与天然气管道保持并排，具体用于进行柴油与汽油等油品的输送工作，以汽油为关键的输送油品。在施工过程中，应保证竣工后的成品油管道满足每日300×104t的输油量，而且为了保证成品油管道高效输送油品，还应为其配置289㎡的阀室以及其它附属设施。而在该项目中，针对成品油管道敷设区域的地下管线分布情况，应利用地球物理探测方法，增加管道建设项目的准确度，以此提高管道设计水平，避免成品油管道敷设途中遇到障碍物，诱发安全事故或延缓施工进度。其地质条件以滨海平原地貌为主，地势平缓，且局部标高达到了8m，深度在30.45m处，土质包含粉质土、粘性土以及砂土。
本文项目中关于地下管线的探测范围包含以下三个部分：第一，管道建设路程中的燃气管线、电信管线、热力管线等综合管线；第二，调查地下管线具体参数，如埋设深度、平面距离、标高、管径尺寸等，便于为成品油管道建设项目得到施工设计给予依据；第三，统计地下管线探测结果，绘制成彩色图，转换成电子档文件，用于支持本项目的管道敷设内容。
二、地下管线的特征与探测意义
（一）特征
地下管线作为维持市政生活稳定的重要设施，在城市规划与建筑建设中均发挥着重要效用。由于城市功能较为多样，故而形成的地下管线也较为复杂，包含电力管线、热力管线、天然气管线、自来水管线等。结合以往地下管线敷设结果，地下管线最为显著的特征即为复杂性。按照地下管线的实际材质可将其划分为非金属与金属两种类型的管线。若以埋设方式为划分标准，有非直埋与直埋管线。具体的埋设方式应视工况而定。例如电力管线中，既有直埋管线又有沟道管线。而在新建管线中需对施工区域内原有地下管线分布特征予以探测，避免出现交叉布置现象，影响管线后期施工效果，或造成管线施工中挖穿其它管线，引发自来水泄漏、爆炸等严重事故[1]。
（二）意义
本项目中成品油管道的建设起点是在松江区、奉贤区交界区域，在其连接闵行油库的过程中，其敷设距离达到了21.2km。面对如此庞大的管道敷设规模，若不及时对其实施探测作业，将影响施工安全性，也不利于提升管道敷设质量，致使后续柴油与汽油无法经过成品油管道顺利输送至油库中。据此，针对地下管线实施探测，一是为了维护施工安全；二是为了准确获取管线深度、走向、位置等数据，将其呈现在设计图纸上，用于衡量成品油管道施工方案是否可行；三是作为一种施工导向，用于辅助成品油管道建设方向，即避让地下管线敷设管道，由此优化油品输送质量。
三、地球物理地下管线探测的初期准备
地球物理探测在地下管线探测环节，应当先行考虑物探法在本项目中的适用性，并准备好探测仪器。在本项目中除了地下管线外，还包含地下障碍物。据此，还应当借助剖面仪、磁力仪等设备，准确探测障碍物点位。关于地下管线探测任务，应选用美国品牌LD-600管线仪以及SIR-20地质雷达、地下定位系统、CCT-4磁梯度仪[2]。
待准备好相关探测装置后，分析现下闵行油库管道建设项目中是否具有物探法的探测条件。本项目在探测前专门进行了实地调研，结合查询的文本资料发现：在成品油管道建设中设有光缆、污水管线、电力管线以及军用管线等多种类型的地下管线，其障碍物以混凝土块为主。通过对地下空间环境介质予以统计，空气的纵波速为每秒200m到360m之间，磁性为1×10-7•4πH/m，空气密度为1.29kg/m³。而在地下管线物理参数分析中，其参数值与周围介质参数有明显差异，故而具备物探条件。例如铜电缆的纵波速为每秒3750m，磁性0.99×10-7•4πH/m，密度在8.9×103kg/m³。由此推断出物探法在本项目地下管线探测中具备应用前提。
四、地球物理在地下管线探测中的运用策略
（一）磁偶极感应探测
磁偶极感应探测围绕本项目中不同地下管线磁性参数特征，可掌握地下管线的具体位置、埋设深度、走向等。通过管线发射电磁信号，信号传递中，由于金属材质具备导电性，与周围水土、空气等其它介质相比，金属管线在磁场影响下将呈现出异常信号。磁偶极感应探测实则借助磁场变化与感应电流的分布规律，判定管线埋深与平面位置。结合以往探测经验，其探测法适用于5m深度的管线探测项目中，且易受到周边临近管线的干扰，影响探测精准度。探测人员应朝着管道发射磁偶极子，并在地面上观察电磁波发射后磁场变化情况[3]。例如在对该路段中雨污水管线进行探测时，因其密度在2.3到2.5×103kg/m³之间，纵波速为4000m/s，可采用此种探测手段，分析污水管道距离地面的深度，并将探测数据纳入施工方案中，在施工中躲避排污管道建设成品油管道。
（二）夹钳与直接探测
1.夹钳探测
针对本项目中涉及的信息电缆、污水管线、电力电缆等地下管线运用物探法时，还可通过夹钳探测的方法，对管线的埋深、走向、标高、管道尺寸进行探测。夹钳探测指的是对铜材质等金属管线进行夹钳操作，在信号夹钳的刺激下，分析感应电流的流向，以便获取地下管线的磁场强弱。本项目中可在信息管线探测中应用此种探测方式。夹钳探测具有以下优势：第一，高精准度；第二，广泛性，可适用于小管径管线，避免应管道径长偏小，影响探测实效性。在该项目中，其地下管线所在土层性质较为复杂，以团粒状结构为主，且设有深为15cm左右的耕作层。在对其进行探测时，还应结合土壤中有机质成分、粘性土含量、粉砂层分布规律，判定选用夹钳探测适用性。在本项目中的施工区域内，因其属于湿热地带，其雨量充足，且管线布置位置较为零散，管线长度大。此时，应当运用夹钳探测手段，通过对地下管线分布区域发射激发信号，由此知晓光缆等管线埋深与流向位置信息。在35+824路段叶新路上，具体采用定向钻管道施工技术布置管线。在此范围内，其杂填物深度深达2.1m，在对其进行探测时，对于电信管线以及给排水管线进行探测时，由于DX8-DX1电信电缆的埋深在1.08m左右，其材质虽然属于玻璃光纤，但周边敷设了相应的铁丝，致使夹钳探测方法也能通过铁丝产生的信号加强结果探测具体的埋深参数。根据探测数据，关于电信电缆埋深探测结果，基本上在1.21m左右，移动电缆埋深在1.06m。根据探测信息可增加成品油管道施工合理性。在应用夹钳探测方法时，不同管线对于信号的收发距离要求不一致。所以，理应进行差别化探测，围绕每个路段管线特征优选物理探测方法。
2.直接探测
直接探测是在发射机的两端分别连接地面与管线，之后对其进行通电，凭借电磁场变化情况加以探测。在判断本项目中的探测区域是否适合运用直接探测法时，应先行分析地下管线是否属于金属材质，是否存在明显露点，而且还需做好数据记录工作，雨水管线在图纸上标记为“YS”，污水管线标记为“WS”[4]。
探测人员在对地下管线进行直接探测时，可通过定向钻等管线敷设方法的痕迹，判定探测区域内是否设有管线。首先，探测人员应按照光缆标志桩“下有电缆，严禁开挖”或者其它标识，准确找到接线井，将其作为探测起点开展探测工作；其次，探测人员在工作前应在15m距离外先行发射信号，之后可验证电缆线路是否能够准确接收到信号，若确定信号强度适中，可选用直接探测法探测地下管线；最后，在实践操作中选用极大值估算法，对管线埋深数据进行70%预测，核对好成品油管道挖深数值后，确定是否处于安全范围内。
以YD12-YD39路段的移动电缆为例，移动电缆选用管道直径为2.50m。在探测中，若探测结果显示2.69m，则代表2.69m以上以及5.19m以下属于安全施工范围，可将成品油管道敷设范围确定在移动电缆埋深安全范围内，避免在开挖作业中挖穿移动电缆，引起施工单位的损失。同时，在确定好成品油管道敷设的安全范围后，还应当编制探测报告，将其作为施工单位的管道敷设指导手册，这样才能体现出管线探测价值。
（三）工频与示踪波探测
1.工频探测
工频探测要求探测人员使用管线探测仪，探测地下管线的二次磁场。地下管线磁性与周边介质磁性存在明显差距时，才能适用此种探测方法。选用5Hz的发射台发射低频信号，用于获取磁场信息。如本项目中钢材质煤气管线，因其磁性为200×10-7•4πH/m。周边土磁性为0，空气磁性仅在1×10-7•4πH/m左右。两者相比，差异明显。对于磁性与煤气管线相差不多的铸铁给水管线，也同样适用[5]。
2.示踪波法
探测人员针对本项目中的地下管线予以探测时，还可借助地下定位系统对非金属管线，如聚氯乙烯雨污水管、混凝土管道进行全面探测。探测人员先行将探测头置于管道内部，通过波场变化情况的监测，运用定位系统追踪信号波，由此知晓管线走向与具体方位。
在运用物探法探测该项目地下管线时，还应根据隐藏管线点以及明显管线点的误差情况，判定探测结果准确度。具体应以下述两个公式为主：
① 埋深误差公式
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② 管线点误差公式
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其中△hti、n1、n2、△dti分别代表的是探测点埋深误差、隐藏管线重复探测检查点数、明显管线探测检查点数、埋深偏差。经过计算后，若误差结果符合“地下管线探测技术规范”，则视为探测结果可信。
（四）管线探地雷达法
雷达定位是围绕电磁脉冲波等物质性质实施探测，借助探测场地的地质特征了解电磁波动向。探地雷达探测并不会对地下管线产生任何破坏，具备突出的抗干扰特性。探测人员在本项目中针对电力电缆等地下管线加以探测时，首先应准备好雷达装置，然后调整好电磁波频率，以10MHz-1000MHz范围为主，之后将其对着成品油管道施工区域发射电磁波。
一般需按照下列公式掌握信号强度与衰减因子（β）的关联：
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其中σ为电导率、ε为介电常数、ω为电磁频率、μ是导磁系数。根据上述关系式还可知晓，在电导率下降时，衰减因子也会随之下降，而介电常数与电导率则存在反相关关系。经过对3DL3点号的电力电缆进行探测，地下有一个一孔管线，坐标点为（-25017.722，-11184.562），地面高程为4.636m，管线埋深6.34m。在对此区域内的管道应用雷达探测法时，借助电磁波反馈结果，可判定脉冲波形成需时，之后可按照电磁波与衰减因子的关联得出管线埋深。此外，此种探测方法还可用在砼雨污水管探测项目中，可将天线的频率调至200MHz，按照0.1m的采样点距对地下剖面结构加以探测。为了增加探测准确度，可结合周边已知点位与埋深的管线雷达探测结果，对其进行埋深探测，这种带有参照物的雷达探测技术，对于本项目中闵行油库成品油管道的敷设工作有着广泛的适用范围。
（五）磁梯度与管道探测
1.磁梯度探测
磁梯度探测是根据物理性质中的磁性强弱作为探测依据，以此判断地下管线埋深、径长情况。探测人员应用磁梯度对闵行油库路段的地下管线进行探测时，应借助钻孔的方式，确保磁力梯度仪顺利经过钻孔进入地层，并调整好探测方向。根据本项目中金属管道的磁梯度探测曲线可知：在磁力梯度仪逐渐接近管线时，梯度值将出现弯折变化，而远离管线时，其曲线波动不明显。尤其在水平向的差距在0.8m以上，将趋于平缓。此时，可结合曲线图判定地下管线分布位置，并在途经此地建设成品油管道时，应注重管线避让，由此可提升成品油管道建设质量。于本项目中的女儿泾闵行区穿越区域内，其定向钻管线敷设范围内，其穿越长度达到了362m。在运用物探法时，可在地面上钻孔探测，由此运用感应磁场的变化规律开展管道框架的建设工作。
2.管道探测法
上海石化-闵行油库成品油管道项目中，主要包含污水管道、雨水管道、输油管道等。在对其进行探测时，应随着探测点位的确定做好标记，在图纸上明确标明此区域内的管道布设情况，之后通过调查取证核实数据，其中埋设深度应精确到“厘米”、径长应精确到“毫米”，精准确定管线点位。探测人员在管线测量时，还应运用水平尺等工具，做好管线标记工作，进而为后续实地探测给予保障。在编写管道序号时，还应按照某一区域进行小组组合式编写。如将探测区域划分为不同的组别，每个小组应以对应的组名命名。如A组污水管道，可记为“AWS1”，而后再次探测到污水管道时，记为“AWS2”。对于地面上有出露点（井盖）的管道，可直接将测量仪器置于管道内，探测其深度。若地面上未找到出露点，则采用小范围盲探的方式，逐渐筛选管道点位，最终对探测数据加以校正。
如起点到沈海高速之间的路段，对其进行探测时，可发现污水管道与输油管道数量较少，但也应注重探测结果的精准记录。
（六）水陆障碍物探测
本项目中还包括河岸、防汛墙、浆砌石护岸等障碍物，应根据障碍物存在的不同条件，应用物探法。其中陆域中的障碍物探测可采用磁梯度探测法，对钢筋笼等结构的具体位置予以确定。由于在成品油管道施工期间，也需要设置桩基础，故而针对陆上的障碍物实施探测具有一定的现实意义。水域探测可选用磁性探测方法。首先应将磁力仪调为自动模式，按照每秒一次的采集频率对黄浦江水域的水下障碍物予以探测，首次探测范围可为20m。结束后需将探测结果绘制成电子报告，作为管道敷设依据，指导施工人员顺利竣工。
五、本项目应用物探法的实践效果
本项目中共计完成42.6万㎡的地下管线探测任务，其电缆探测全线长25.56km，燃气污水管线探测长度为8.97km，工业管线长度达到了10.22km。其中在运用物探法探测地下管线时，共设置4121探测点。在物探中采用复测法，缩小探测误差。如XX408-XX431信息电缆探测中初次探测的埋设深度为1.8m，二次探测结果为1.81m，WS11-WS12污水管线的探测埋深两次分别为2.1m、2.08m。结合本项目中探测经验推断，物探法的探测结果可作为成油品管道重要的施工依据。
结论：综上所述，地下管线探测作业中红应用地球物理探测方法，既能保障探测精准度，又能优化探测效果，促使整个探测过程中，能够提供可靠的地下管线探测数据，便于指导成品油管道项目顺利竣工。同时，还应从磁偶磁感应、夹钳与直接、工频与示踪波、雷达、磁梯度与管道探测、水陆障碍物探测等方面着手，由此提升工程项目的建设质量。
参考文献：
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[2]赵文轲,余立刚,方朝涯.城市地下管线综合地球物理探测[J].科学,2020,72(06):35-37+4.
[3]刘济南.综合物探方法在地下管线成图后二次验证的必要性分析[J].世界有色金属,2020(15):168-169.
[4]江峻毅,高兴国,王方旗,等.海洋地球物理综合探测法在海底管线探测的应用研究[J].电力勘测设计,2020(S1):200-204.
[5]李红慧.城市地下管线探测与管理技术研究进展[J].资源信息与工程,2018,33(06):142-143.