试论探测技术在地下管线中的应用.docx

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试论探测技术在地下管线中的应用

试论探测技术在地下管线中的应用

　　摘要：

地下管线探测是集物探、测绘和计算机综合运用的技术，只有不断学习、探索和积累，才能逐步熟悉、掌握地下管线探测技术方法。

本文主要对管线探测的原理、方法进行了简单介绍，并对探测过程中的几个问题进行了简单分析。

　　关键词：

地下管线；探测方法；隐蔽点；技术应用

　　1.地下管线探测的重要性及意义及原则

　　1.1地下管线探测的意义

　　地下管线工程设施，贯穿于整个建设过程，是城市重要的基础设施。

其给水、排水、供气、通信电缆、电力等，构成城市的“生命线”，担负着城市的能源供给、信息传输、污水和废水排放，对城市的生存和发展提供基础保障。

但由于地下管线资料分散，管理繁杂，致使在进行城市建设、管线改造时，找不到全面、可靠的管线资料，使得误挖、误伤地下管线的事故经常发生，加强管线探测工作非常重要。

并且，各管线权属单位都存在管线资料保存的不完整或残缺不全现象，这给管线的施工和管理工作带来不便。

搞好地下管线探测工作，对合理利用城市地下空间资源，提高城市规划管理水平，维护城市的“生命线”，保证人民的正常生产、生活和社会发展具有重大意义。

　　1.2地下管线探测的基本原则

　　根据《城市地下管线探测技术规程》，结合多年来城市地下管线探测的实际情况，在认真踏勘、资料分析利用和做好方法试验的基础上，可按照以下原则对地下管线实施探测：

　　①先易后难、先明显点后隐蔽点、先钢管后铸铁、先浅后深、先简单后复杂、从已知到未知。

　　②方法要有效、快捷、轻便：

若在某地区存在多种探测区域地下管线的方法时，应首先选择效果好、轻便、快捷、安全和成本低的方法。

　　③相对复杂条件下，根据复杂程度宜采用相应的综合方法；在管线分布相对复杂的地区，应根相对复杂程度采用适当的综合物探方法，以提高对管线的分辨率和探测结果的可靠程度。

　　④探测过程中的验证：

在探测中要注意寻找易被验证的位置点。

　　2地下管线探测原理

　　地下管线探测是一门比较复杂的专业技术，不同材质、埋深和地质条件的地下管线应采取不同的探测方法。

现今用于管线探测的管线仪主要是利用电磁感应原理。

　　电磁感应法是通过对目标管线施加一定频率和适当强度的交变电磁场，该目标管线与大地之间便有相应的交变电流通过，该交变电流在其周围空间产生相同频率的交变电磁场，即在目标管线周围形成二次交变电磁场异常，用接收装置检测该异常，便能确定目标管线的位置，达到探测地下管线之目的。

　　设单根地下无限长金属管线载有谐变电流I，则其在地面某点产生的磁感应强度的水平分量BX和垂直分量BZ分别为：

　　式1

　　式2

　　根据接收线圈观测到的BX和Bz可以确定管线的位置和深度。

管线交叉或转折等存在形式都可以利用叠加原理进行计算。

　　3地下管线探测的常用方法

　　3.1金属管线探测方法

　　针对城市地下管线中金属管线的物性特点，可选用的仪器探查方法有：

金属管线探测仪探测法（电磁波法）。

　　金属管线探测仪探测法主是用于探测金属管道或电缆，金属管线探测仪法使用的是脉冲调幅电磁波，发射接收装置采用半波偶极天线。

工作频率可选用8KHz、33KHz、65KHz。

　　在管线仪探测施工前，应针对测区的地电条件、地段环境、管线分布等特点，选择有代表性地段的已知管线进行方法试验。

　　通过与已知明显管线点的对比、校核，确定该方法和仪器的有效性和精度，选择最佳工作方法、合适的工作频率、最佳收发距，确定该方法和仪器测深的修正方法和修改系数，以提高工作效率和探查成果精度。

　　用管线仪探测时，一般是沿管线走向向前追踪，当管线弯曲时，至少在圆弧起讫点和中点上设置管线点，圆弧较大时，增加管线点密度，以保证能准确表述管线的弯曲特征。

　　在现况调绘和调查的基础上，根据不同的物理条件，选用不同的物探方法及各种型号的物探仪器探测地下管线，其一般遵循如下原则：

由已知到未知；由简单到复杂；优先采用轻便、有效、快速的探测方法；复杂条件下宜采用多种探查方式和方法。

　　金属管线探测仪法的主要工作方式有：

直接法、电磁感应法、夹钳法和长导线法。

　　3.1.1直接法（充电法）

　　此法是金属管线探查的主要方法之一，探查时，将探测仪发射机专用信号电缆与待探查的目标管线出露点相连接，保持良好的电性接触和接地条件，使目标管线带电产生磁场，接地点尽量靠近目标管线的终端，且接地良好，保持发射机最大电流输出，接地信号电缆距目标管线大于2倍的埋深，操作者持探测仪接收机，保持与发射机相同的频率，沿管线前进方向搜寻，根据接收机上显示的磁场信号强度对目标管线进行定位，从而实现探测目的。

　　3.1.2电磁感应法

　　对于出露点稀少或没有出露点及较大管径的金属管线宜采用此方法。

该方法是在已知目标管线大致走向的前提下，将探测仪发射机平行于目标管线走向水平放置于地面，使发射机产生的探测信号感应到待查的目标管线上，操作者持接收机垂直于目标管线走向探查，根据接收机上显示的磁场信号强度对目标管线进行定位、定深。

　　3.1.3夹钳法

　　夹钳法是感应法的另外一种模式，即在金属管线上，直接采用管线探测仪发射机本身所配置的环形夹钳，环夹在管线上，探测信号通过环形夹钳在管线上产生二次感应磁场，由远处的接收机接收，从而来确定管线的所在位置及埋深。

　　另外，要区分两条或两条以上平行的金属管道或电信电缆时，也可采用夹钳法，通过分别直接对各条管线施加信号来加以区分。

　　采用夹钳法探测，信号强，定位、定深精度高，且不受邻近管线的干扰，方法简便，是最常用的探测方法之一。

　　3.1.4长导线法

　　当直接法和电磁感应法效果不好时，宜采用此法，该方法要求目标管线为非金属预埋管且至少有两个出露点，使用穿管器将信号电缆穿过，并于发射机形成回来，回路信号电缆距目标管线不低于2倍埋深。

操作者持探测仪接收机，保持与发射机相同的频率，沿管线前进方向搜寻，根据接收机上显示的磁场信号强度对目标管线进行定位，从而实现探测目的。

　　3.2非金属管线的探测方法

　　针对既无明显点而且运用金属管线探测仪无法探测的地段，就必须结合常规调查手段辅以非金属管线探测技术，对非金属地下管线进行定位。

非金属管线探测技术有两种：

示踪电磁法和探地雷达探测法。

（1）示踪电磁法

　　其方法是利用非金属管道探头在管道内沿管道埋设路径移动，利用探测仪的接收机在地面接受非金属管道探头发射的调制信号，由此较为便利对排水管道进行定位，以解决常规探测、调查工作中部分管道实际连接关系难以确定的问题。

本方法的局限性在于很多地段不能保证将发射探头置入井中并可顺利回收。

（2）探地雷达探测

　　探地雷达探测法可用于探测各类地下管线。

由于金属管道可用管线仪准确高效测出，探地雷达探测方法的主要任务是探测各类非金属地下管线。

　　1）探测原理

　　探地雷达探测是以地下不同介质的介电常数差异为基础的一种无损物探方法。

它通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲，主频为数十兆赫至数百兆以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线T送入地下，此脉冲在向地下传播过程中遇到地层的变化界面会产生反射波。

反射波传播回地表后被接收天线所接收，并将其传入主机进行记录和显示，再经过资料的后处理，进行反演解释便可得到地下岩、土层的分界面及地下管线的位置、埋深等参数，如图1所示。

由于非金属材质的管道一般都具有较高的电阻率，与周围介质存在明显的介电常数差异，因此采用探地雷达方法进行探测，会有明显的效果。

　　图1雷达探测原理图

　　2）工作方法

　　①管线情况调查

　　为取得最佳的探测效果，在探测之前，首先要对所探目标管线的基本情况进行充分调查，对目标管线附近的地下埋设物（如电缆、其它管线、暗沟等）也要有较全面的了解，特别是对附近其它管线的基本情况（如材料、管径、大致位置、大致埋深、铺设走向等）要有充分的了解，以便于与雷达探测的结果对比，并排除浅部管线产生的影响，确定需定位的目标管线。

　　②探测剖面的布置

　　雷达剖面的布设应注意：

　　★雷达剖面应尽量垂直管线走向；

　　★尽量不要将雷达剖面定在管线拐点，拐点的确定应在雷达探测基础上利用交会法确定；

　　★雷达剖面应尽量避开高压电线、变电站等高频电磁干扰较大的区域；

　　★对雷达剖面上的其它类型地下管线应作详细调查，必要时应用管线仪进行初测，以避免将其它管线异常相似（尤为相似的是给水管）的定为排水管线，造成定位失误。

　　③雷达参数的设定

　　在探地雷达探测施工前，应针对测区的场地条件、地段环境、管线分布等特点，选择有代表性地段的已知管线进行方法试验。

通过与已知明显管线点的对比、校核，通过不同频率天线信号的对比，确定该方法和仪器的有效性和精度，选择最佳的探测方式、采样方法、天线频率、最佳收发距、时窗和合适的迭加次数等，以提高工作效率和探查成果精度。

　　④雷达异常的判断

　　管线异常从理论上讲，在雷达波形图上，管线的反射同向轴会呈现出双曲线型弧状异常，一般还会有两次甚至多次回波反射出现。

但在实际的探测工作中，由于管线材料差异、管线上部的覆盖物变化较大、探测剖面与管线走向不完全垂直、管线内充水丰富等原因，所得的实测波形就不会很标准，有时还会有较大的畸变。

另外，在一条剖面上还可能会有不止一个双曲线异常出现，在这些情况下，要想准确分辨出目标管线异常，就必须增加现场调查工作，还有特别重要的是要平移探测剖面，重复进行剖面探测，从异常的重复性、连续性方面进行综合判断。

　　⑤管线深度的确定

　　对目标管线的平面定位可在现场进行判定，而目标管线的纵向定深，可在现场进行波速标定，然后在室内进行计算处理，其定深原理如图2所示。

探地雷达发射的高频电磁脉冲，由发射天线T送入地下，脉冲波在向地下传播过程中遇到介电常数变化的界面时产生反射，接收天线R接收到的电磁波的时间差与实际的介质波速即可计算得出目标体的纵向深度。

　　图2雷达波反射行程示意图

　　脉冲波的行程需时t=，当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的t（ns）值，由上式求得反射界面的深度h（m）。

当采用单体天线时，我们可视x=0，因此深度的计算公式为。

　　式中：

T-雷达反射波的双程旅行时间；

　　V-地下介质中的电磁波速度；

　　T在雷达的实测剖面中可以直接读取，要确定深度，就必须先确定雷达波速。

雷达波速是与地介质有关的一个数据，数值约为0.06～0.14m/ns，一般无法直接取得，必须借助波速标定进行求取。

　　雷达波速的标定就是在已知埋深的管线点上进行雷达探测，已知点深度h已知，雷达反射波的双程旅行时间T可在时间剖面上读取，从而可计算测区内雷达波的传播速度：

V=2h/T（对一次雷达探测应至少进行两次波速标定，取平均值）。

在剖面附近的已知管道上做了若干次波速测定，计算得波速，地质条件相近的地段一般即采用该波速进行顶深计算（不同地段的介质都会存在一定的差异，因此波速的选取会是管线埋深计算误差的主要来源之一）。

　　⑥雷达探测资料整理

　　室内资料处理的目的是在保持图形真实性的基础上，尽量使管线异常更清晰，并对不明的其它目标体的大小、深度、范围进行判断；以便进行准确的计算、打印探测剖面波形图。

雷达数据处理采用AGC或SEC增益、道平均和点平均等滤波技术。

　　4地下管线探测应注意的问题

　　4.1发射机发射信号频率的不同所产生的相应影响

　　现有管线仪发射的信号均为低频电磁波，低频电磁波的衰减系数为

　　式中ω、μ、σ分别为频率、磁导率、电导率。

　　由上式可知：

当磁导率和电导率一定时，电磁波的衰减系数与发射频率的平方根成正比，即工作频率越高，衰减越快，传播距离就越近。

图1是根据一开阔场地上的单一管线使用不同的发射频率所测的△BX值所绘制的异常曲线图。

　　由图2可见，发射机的发射频率不同，地下同一管线确定的深度相差较小，但是异常峰值有明显的不同。

因此，探测工作中选择合适的工作频率将会有利于提高异常信噪比，有利于提高管线的定位、定深和管线探查的工作效率。

　　图2不同频率的△BX异常曲线图

　　4.2并行或交叉管线对探测目标体的影响

　　并行或交叉管线对探测目标体的影响是管线探测中遇到最多的一种情况。

由于管线探测是一种需连续追踪的探测技术，对于交叉管线而言，只要交叉角度够大，利用探测和推理相结合的方法不难探查出此类管线。

下面主要讨论与目标体交叉角度小或近距离并行的旁侧管线的影响。

　　对近距离并行或交叉管线的探测主要方法包括直接法、夹钳法和感应法。

直接法和夹钳法能够把发射机发射的大部分电磁场建立在目标管线上，能够突出目标管线的异常。

直接法主要用于探测给水，当PE管材燃气管道旁存在感应金属线时，也可在金属线上利用直接法；夹钳法主要用于探测电力、电信管线；感应法是把发射机放在地表，电磁波信号可以建立任何一个管线上，近间距管线的信号强弱主要根据管线的材质来确定的，目标体的异常不一定突出，针对这种情况，我们可以根据目标管线及近间距管线的情况变换发射机的位置和发射线圈的角度，以突出目标管线，压制旁侧管线，包括水平压线、垂直压线与倾斜压线。

　　水平压线法是由于水平线圈在管线正上方不激发，可起到抑制干扰信号的目的，垂直压线法是在井中或者特殊条件下把发射机与干扰管线处以同一水平面时的水平压线，倾斜压线法是在目标管线上方，倾斜线圈以便达到突出目标管线，抑制其他管线信号。

三种压线法示意见图3

　　图3水平、倾斜、垂直压线法示意图

　　4.3大管径管线探测

　　利用管线仪探查大管径金属管线时，异常信号比较宽缓，特别是当大管径管线埋设较浅时，异常信号基本无法确定。

当遇到信号不明显无法确定是否存在管线时，应该多换几个工作频率重复探测，频率越高，异常信号衰减越慢，频率越低，异常信号衰减越快。

有的大管径管线的接口为非金属接口或者管线的材质为非金属时，地质雷达是一种比较有效果的方法，但是当其他管线距离很近时，地质雷达不能有效横向分辨。

　　5地下管线探测实例

　　图4是某路口为满足排管施工而进行地下管线探测的主要管线成果图。

图中红色的为电力管线，其代号为”L”；蓝色的为给水管线，其代号为”J”；绿色的为电信管线，其代号为”D”。

公路中间的给水管径为1200mm。

　　图4某路口地下管线探测图

　　在探测过程中管线点D7、D8、D15、D19、D21、D24、D25分别利用感应法和夹钳法两种方式定位定深，两种方法的深度对比如下表：

　　D7D8D15D19D21D24D25

　　感应法0.761.051.321.231.260.651.10

　　夹钳法0.831.091.251.121.180.701.08

　　经施工开挖验证，D8、D19、D24管线点的深度分别是1.10m、1.14m、0.70m，感应法的深度误差分别为-5cm、+9cm、-5cm，夹钳法的深度误差分别为-1cm、-2cm、0cm。

由以上数据可见，两种方法的深度误差都满足规范要求，但夹钳法较感应法定深精确。

　　大管径给水管线点J1、J2、J3是通过多次变换发射频率进行对比来定位定深；由于小管径给水管线距离电信管线只有0.3米，管线点J4、J5是通过倾斜压线方法定位定深。

经过施工过程中的开挖验证，D8管线点的平面偏差和深度偏差分别为1cm、3cm，J2管线点的平面偏差和深度偏差分别为2cm、5cm，J5管线点的平面偏差和深度偏差分别为3cm、4cm，均满足规范要求。

　　6结束语

　　通过以上对地下管线探测技术方法的叙述分析，可得出以下几点认识：

　　1）管线探测时优先选择夹钳法或直联法，其定位定深比感应法精确，且在管线密集时能更好的分辨目标管线；

　　2）在管线密集且无法使用夹钳法和直联法时，利用压线法也能达到很好的效果；

　　3）根据工区的地球物理环境特征，通过对比试验选择合适的工作频率，以达到最佳探测效果。

　　参考文献：

　　[1]孙小克.地下管线探测技术应用及研究[J].城市建设理论研究，2012，（18）.

　　[2]CJJ61-2003《城市地下管线探测技术规程》