井中磁梯度在城市建设中的应用

摘要：本文介绍了井中磁梯度技术在城市建设工程中的应用。根据城市建设中周边环境的特殊性，合理地选择井中磁梯度方法及仪器设备，采取有效措施和适当的数据处理方法，提高了探测和解释的可靠性，取得了良好的效果，为工程设计和施工及质量验收提供了科学依据，解决了建设工程中的一些难题。

关键词：城市建设；井中磁测；应用；难题；依据

0 前言

随着我国经济建设的迅速发展，大规模的城市建设遇到了越来越多技术难题及质量管理问题，比如顶管、地铁盾构隧道穿越区的地下障碍物（包括直立的桩基、非开挖深埋金属管线等）探测，市政建设、房产开发区域的基桩钢筋长度的确定，这些探测目标物的特点是截面尺寸较小、埋深大、施工记录不全或不够真实，由于物探方法本身的局限性，地面物探方法很难解决上述问题。为了快速、经济地解决这些问题，我们选择了井中磁梯度方法技术，该方法在找矿勘查中已经发展较为成熟，但在城市建设中应用得相对较少，我们结合城市建设中周边环境的特殊性，通过合理地选择井中磁梯度方法及仪器设备，采取有效措施和适当的数据处理方法，压制了干扰场，突出了磁异常，提高了探测和解释的可靠性，取得了良好的效果，为工程设计和施工及质量验收提供了科学依据，解决了工程建设中的一些难题。

1 磁法勘探工作原理

地球的基本磁场是一个位于地球中心并与地球自转轴斜交的磁偶极子的磁场，在整个地球表面，都有磁场分布，而且磁场强度、磁倾角、磁偏角随地区的不同而变化，但对于某一工程，研究的是局部小范围的磁场，我们可以把地磁场在该区域看作均匀分布的，一般在无铁磁性物质的土层中，其磁场强度就是地磁场，即背景场。自然界各种物体都受地磁场的磁化作用，在其周围空间产生新的磁场，由于铁磁性物质的磁化率非常高，它相对于周围介质而言所产生的磁场强度要高得多，这种磁场相对于天然磁场分布而言，称之为磁异常。由于各种物体的磁性不同，那么它产生的磁场强度也不同；物体空间分布规律的不同（包括埋深、倾向、尺寸等），其在空间磁场的分布特征也不同。由于探测范围内磁场的分布特征由该区内的物体分布情况及空间位置来决定，通过用专门的仪器来测量、记录测区磁场分布，根据所测得的磁场分布特征就可以推断出地下各种磁性物体的形状、位置和产状。

2 磁测方法的选择

任何物探方法都有一定的地球物理前提条件，磁梯度方法也不例外，当其周围有较强的干扰磁场时，探测到的磁梯度异常扰场掩没，无法获得可靠结果甚至得到错误的结论，因此必须根据现场条件、磁性差异和干扰情况，合理地选择磁测方法及仪器设备，以避开强干扰场，压制较弱干扰场，突出探测物体的磁异常为原则，对于近旁有一定干扰磁场的磁性体探测，一般选择磁梯度法探测；对于干扰较小的场地，可以选择测试总场T、Za。针对城市建设中周边环境的特殊性选择井中磁梯度探测方法，该方法基本可以消除正常场对测试结果的影响，从而突出磁性体产生的磁梯度异常。

3 基桩钢筋长度探测

3.1探测原理

由于钢筋笼属于铁磁性物质，它相对于混凝土桩体与周围岩土，钢筋笼在地磁场作用下会产生更大的感应磁场，假设钢筋为无限长线状体，经理论计算，推导出无限长线状体钢筋的感应磁场强度Z为：

式中：k为钢筋磁化率， 为垂直方向地磁场磁感应强度，S为主筋横截面积，L为测点到钢筋笼的垂直距离。假设有效磁化倾角为90°，由上式可知主筋感应磁场强度Z的大小与主筋到测点的距离L的平方成反比，与主筋横截面积S成正比，且在与主筋平行的方向上为定值，即梯度值为零。

钢筋笼是由数根粗的主筋和在其上按一定间距绑扎的细箍筋构成，钢筋笼上的感应磁场为主筋和箍筋的磁场叠加而成，其大小与测试距离和钢筋笼所含铁磁性物质的量有关。实际测试的磁梯度曲线是叠加磁场引起的，因此与主筋平行方向上的磁场强度Z是一个较小的变值，它与箍筋间距、箍筋粗细有关。

3.2 工程桩长度检测实例

该工程基桩采用PHC-AB600（110）-16管桩，桩底部多处于粉细砂与粉质粘土交界层，设计长度16m满足抗震要求，由于该楼房出现了沉降问题，因此要求对PHC管桩长度进行检测。由于PHC管桩同样是由钢筋混凝土构成，其结构与灌注桩钢筋笼类似，因此也可以采用井中磁梯度法检测管桩中钢筋笼的长度，由于PHC管桩属于全笼桩，通过判定钢筋的长度即可确定管桩的长度。

图1 磁梯度法检测钢筋笼长度示意图

检测前先在桩中或距桩边缘L≤1m的地方钻取平行于PHC管桩的钻孔1个或数个，钻孔深度宜大于设计钢筋笼长度或PHC管桩长度d=3m～5m，孔径不得小于70mm。然后，把RS-RBMT钢筋笼长度磁法测试仪的检测探头放在钻孔中，以10cm点距测量沿钻孔不同深度磁场变化情况，探测曲线准确直观的反映PHC管桩内钢筋笼桩端法兰盘的位置及其埋设长度，进而判断所测PHC管桩的桩长。

图2 163号桩垂直分量、磁梯度和二阶梯度与深度关系图像

在该桩侧面钻孔深度为20.0m，钻孔底部在管桩底部以下，从图中3条曲线的变化特征可以看出，在桩头下部约1.0m～1.20m、6.7m～7.0m和11.70m～13.0m处均有明显的磁异常，可以判定引起磁异常的场源即为接头（法兰盘）存在的位置，其磁异常特征为梯度曲线极小值处和二阶梯度异常的零值处。因而确定钢筋笼有效长度约12.0m（6.0m+6.0m），由于这根PHC管桩的设计长度为16.0m（10.0m+6.0m），实际测量桩长与设计长度相差4.00m，因此该桩不符合设计要求。

4 井中磁梯度探测非开挖深埋金属管线

4.1探测原理

将近水平的金属管道简化为一个无限长水平圆柱体，在三维空间内，无限长水平圆柱体又相当于二度体，磁性体沿Y轴方向无限延长，磁位沿Y轴方向无变化。通过位场理论推导计算可以得到无限长水平圆柱体在空间内各磁场分量（垂直分量Za、水平分量Ha的表达式分别为：

Za =

Ha =

式中： ―有效磁矩

―有效 磁化 强度

―平圆柱体的截面积

―水平圆柱体的中心埋深

―有效磁化倾角

通过对Za求导数可以获得垂直梯度场，该场分子为垂直场的差值，基本可以消除正常场对测试结果的影响，从而突出磁性体产生的磁梯度异常。

上式为地面磁测的计算公式，只要把XOZ剖面连同磁性体截面及磁化强度一起绕O点以Y轴为转动轴顺时针方向转90°就可以将地面磁测的Ha、Za转化为井中磁测Za、Ha。通过对实测数据的处理，可以推定金属管道的位置及埋深。

4.2非开挖深埋金属管道探测实例

4.2.1青草沙Ф3600原水管道（钢管）井中磁梯度探测

上海中环线15标高架道路采用钻孔灌注桩作为基础，设计高架桥的墩台距离已建成的青草沙Ф3600原水管道（钢管）较近，为确保中环15标（申江路、高科东路交口处）工程施工期间青草沙水源地原水管道的安全，需要对该原水管道进行了详细探查。探测范围的道路已经封闭，由于道路的三渣及路面厚度较厚，厚度约70cm，必须破除路面后才能探测，刚好ZH51#承台附近正在进行雨水管道改排工作，探测区域部分路面已经破除，基本有条件进行探测，但工作面相对较小，周边铁磁性物质相对较多，紧邻的现状道路车流量很大，环境干扰较严重。

为避免水冲孔法成孔施工时破坏浅部其他管线，避免浅部管线对磁梯度探测分析产生影响，根据前期的物探资料，对该区域的地下管线进行了复核探测。

图3 磁梯度法探测金属管道示意图

先在原水管道一侧冲孔（采用水冲法成孔），冲孔到设计标高后下放PVC测斜管护壁，以免踏孔，管底部密封，管顶加盖，护管周围填满砂或土。采用井中磁梯度仪对目标管线进行探测，根据磁梯度异常的形态及大小判断原水管道在孔的哪一侧，然后再确定下一冲孔的位置，采用逐渐逼近的方法确定原水管道的位置及埋深。

⑴从磁梯度异常剖面图4可以看出，JS4号孔距管道中心5.01m，磁梯度异常曲线变化比较平缓，且由正变负，最大磁梯度异常位于孔口下16.2m处，场值为-142.5nT/m；JS9号孔距管道中心2.22m，磁梯度异常曲线变陡，且由正变负，最大磁梯度异常位于孔口下16.2m处，场值为-649.0nT/m，JS4号孔与JS9号孔相比，其最大磁梯度异常缩小了4.6倍。由JS4号孔到JS9号孔距原水管道的距离逐渐减小，磁梯度异常呈现出如下特征：实测磁梯度曲线由缓逐渐变陡，峰值由小逐渐变大，宽度由宽变窄，曲线由正变为负，异常位置一致性较好，且最大磁梯度异常均在孔口下15.8m～16.2m之间，判断原水管道中心埋深约为16.0m。

图4 ZH51#承台处Ф3600原水钢管北侧磁梯度探测剖面图

⑵从磁梯度异常剖面图5可以看出，JS13号孔距管道中心4.11m，磁梯度异常曲线变化比较平缓，且由正变负，最大磁梯度异常位于孔口下16.2m处，场值为39.0nT/m；JS16号孔距管道中心1.91m，磁梯度异常变化陡，且由正变负，最大磁梯度异常位于孔口下16.2m处，场值为799.0nT/m，JS4号孔与JS9号孔相比，其最大磁梯度异常缩小了20.5倍。由JS13号孔到JS16号孔距原水管道的距离逐渐减小，磁梯度异常呈现出如下特征：实测磁梯度曲线由缓逐渐变陡，峰值由小逐渐变大，宽度由宽变窄，曲线由正变为负，异常位置一致性较好，且最大磁梯度异常均在孔口下16.0m～16.4m之间，判断原水管道中心埋深约为16.2m。

图5 ZH52#承台处Ф3600原水钢管南侧磁梯度探测剖面图

⑶探测现场采用切线法（半定量法）可以快速估算探测孔距管道的距离，从而指导冲孔位置的确定。本次通过对磁梯度异常、Za异常幅值强度（正负）、异常形态的分析，结合距离估算，采用逐渐逼近法探查原水管道，并在多个测孔处均冲到了管顶。经综合分析及验证得知Ф3600原水管道的中心埋深探测误差小于±0.3m。

4.2.2 Ф813高压燃气管道（钢管）

拟排Ф3800原水管道要穿越一根Ф813高压燃气管道，经走访调查初步确定了燃气管道的大致走向，但深度不能作为设计的依据，因此业主求探明该燃气管道的位置及埋深，为原水管道设计提供依据。该高压燃气管道采用非开挖技术铺设，埋深较大，浅部采用管线仪的感应法进行了探测定位、定深；深部采用井中磁梯度仪探测，先在管道中心北侧2.4m处用水冲孔，孔深20m，根据磁梯度异常的正负判断燃气管道在测孔的南侧，因此又在距管道中心距离1.5m、0.7m处冲孔测试，测试的曲线特征见下表，推断燃气管道中心埋深约13.7m。经冲孔验证，探测的Ф813高压燃气管道中心埋深误差小于0.2m。

图6 Ф813高压燃气管道（钢管）北侧磁梯度探测剖面图

5 井中磁梯度法的优缺点

方法缺点：井中磁梯度法探测需要在被测目标体一侧或两侧钻孔或冲孔、埋入护壁PVC管进行探测，综合成本相对较高，工作效率较低，不能探测无磁性目标体，探测距离有限；

方法优点：井中磁梯度法探测基本不受正常场的影响，在干扰较小时，探测精度较高，一般能满足规范及工程要求。

6 结束语

通过对井中磁梯度方法原理的分析及实践证明，该方法技术能较经济、快速、有效地解决城市建设中所碰到一些难题，为城市建设规划及质量验收通过科学依据。特总结如下：

⑴采用井中磁梯度探测方法可以解决直立钢板桩、预制方桩、PHC管桩的桩长探测问题及钻孔灌注桩钢筋笼长度的探测，对金属管线（上水管、燃气管、航空油管、电力电缆等）进行埋深探测，一般均能取得满意结果。

⑵井中磁梯度探测必须在探测物体侧面钻孔或冲孔，测孔到被测物体的最佳净距离L=0.5m～1.0m，测孔深度至少比被测物体深d=3m，以便取得正常场进行对比解释。经验证，在干扰较小情况下误差一般小于30cm。

⑶井中磁梯度勘探技术的探测精度和可靠性，受环境因素影响较明显，尤其是周围强磁性物体产生的干扰磁场对探测结果影响较大，由于城市建设的周围不仅有静磁场影响，还时常有动磁场影响，致使探测结果无效或难以解释，因此在探测前，必须进行场地条件试验，选择合理的探测方法、探测仪器和工作参数。

参考文献：

[1]长春地质学院磁法教研室 《磁法勘探》 地质出版社，1978

[2]张汉春《非开挖特深管线的探测技术分析及展望》 地球物理学进展，2010

[3]刘建军《磁法勘探技术在建设工程中的应用》 城市建设与商业网点，2009

[4]陆 伟等《磁梯度法在钻孔桩钢筋笼长度检测中的研究》道路工程，2007

[5]高德明、王彦周等《应用磁梯度法检测桩基础钢筋笼长度》 科技创新导报[J]2015