复杂条件下城市地下管线探测技术的应用

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摘要：在城市地下管线探测中，最常用的物探方法是电磁法和电磁波法(探地雷达)。通过对这两种方法的原理、管线异常特征的介绍，提出了在复杂条件下物探方法技术的应用，目的是减少干扰因素的影响、突出目标管线异常,最终对目标管线进行精确定位定深。

关键词：探地雷达；地下管线探测；城市

中图分类号： TN95 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

在一些复杂条件下，由于地球物理探测技术的局限性以及地球物理异常的多解性，使得物探异常的推断解释比较困难，例如：近间距并行管线的探测、各类非金属管线的探测、各种干扰因素的识别与消除等等。在城市地下管线探测中，上述探测难题均不同程度的存在，如果解决不好，不但影响整个探测工程的质量，还会严重影响信息管理系统的建设和正常运转。本文对这些复杂条件下物探技术的应用进行了归纳和探讨，以供业内人士在今后的城市地下管线探测中参考使用。

2 地下管线探测的基本原理及方法

2.1原理

电磁法是探查地下管线的主要方法，它是利用地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下管线的目的。[1]地下管线探测时，依靠主动或被动的场源激发，在管线中形成电流，管线中的电流就会在其周围空间产生同频率的交变电磁场，利用物探仪器在地面观测电磁场的空间分布，根据电磁场的分布特征，确定管线空间位置。

地下管线的存在会改变天然的或人为产生的地球物理场的分布，即产生异常。研究这些异常的形态、分布、形状可获得地下管线位置的有关资料。管线探测的基本原理是建立在理想条件下，设地下只有一条水平无限载流管线、管线周围介质为高阻且空间无电磁干扰，观测剖面为与管线正交的地面水平线。根据管线材质类型的不同，探测的方法也有多种。

2.2金属管线的探测方法

对于金属管线的探测，主要使用直接法和电磁感应法进行探测。[2]直接法对有暴露点的金属管线十分有效，是将发射机信号输出端直接连在被测管线上，其特点是信号输出强、抗干扰性强。电磁感应法对于暴露点极少和较大管径的金属管道探测比较适合。

对于金属管线而言，电磁法是探查地下管线的主要方法，它是利用地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下管线的目的。地下管线探测时，依靠主动或被动的场源激发，在管线中形成电流，管线中的电流就会在其周围空间产生同频率的交变电磁场，利用物探仪器在地面观测电磁场的空间分布，根据电磁场的分布特征，确定管线空间位置。

因此，要取得理想的地下管线探测效果，必须满足下列条件：首先，在地下管线上形成的电磁场，其分布规律或分布特征能够被探测和计算；其次，场源在目标管线上能激发出一定强度的电流，并使电流尽可能少的在非目标管线、干扰物和介质中通过，以压制或消除干扰因素；此外，使用的探测仪器必须先进，尽可能丰富的提供物理场的真实信息，保证探测精度。

3.2非金属管线的探测方法

对于非金属管线，目前采用较多的是地质雷达的方法。这种方法是利用脉冲雷达系统，连续向地下发射脉冲宽度为几毫米的视频脉冲，然后接受从管壁反射回来的电磁波脉冲信号，它的原理是利用地下管线与周围介质之间的物性差异来探测地下管线的，是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器，通过剖面扫描的方式获得地下剖面的扫描图像。[3]雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电介质间的电性差异越大，反射回波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录下反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下剖面的扫描图像，通过对雷达图像的判读，便可得到地下管线的分布位置和状态。地质雷达对非金属管道是比较有效的，但目前其价格比较昂贵，普及率较低。

3.3电力、电信管线的探测方法

由于电力电信管线本身就携带有一种“源”。直接使用探测仪便可对其追踪、定位、定深。若信号较弱时，可采用夹钳法，运用此法时，应将夹钳一端接到发射机上，夹钳夹到目标线缆上，打开发射机，选定一个合适频率，余下的操作与直接法相同。此方法对于管径较细的管线尤为适用。

4 复杂条件下地下管线探测技术的应用

4.1近间距并行管线的探测

城市地下空间资源非常有限，地下管线大部分都是平行埋设，这种埋设方式尤其是在管线近间距并行时对管线探测的影响较大，其异常特点主要表现为：管线的间距小时，异常曲线往往呈单峰状，不能用峰值多少来判断有多少条管线存在；管线间距大时，异常虽可能出现几个峰值，但曲线常具不对称性，且异常峰值相对于管线的平面位置有位移。这主要是因为管线之间的耦合、互感而产生的异常叠加引起的，为了压制或减弱非目标管线产生的异常，可根据现场条件采用以下工作方式：

(1)直接法。直接法是利用管线出露部分，直接向管线充电，并通过改变接地或充电方向尽量让电流沿目标管线流动，此方法多用于金属管道类。

(2)夹钳法。夹钳法是利用专门的感应钳，使被钳管线产生感应电流，此方法多用于电信、电力类电缆。

(3)水平、倾斜和垂直压线法(感应法)。直接法和夹钳法两种激发方式在城市地下管线探测中是最有效的压制和减弱旁侧管线和干扰因素干扰的方法。但有的时候，管线的窨井很少，管线的出露点相应的也就很少，直接法和夹钳法就会失去其应用条件。这时，感应法可发挥其优势，由于近间距并行管对感应法的影响最明显，所以就要采用一些特别的工作方式以压制或减少干扰，这些工作方式就是水平、倾斜和垂直压线法。

根据理论计算和模拟试验可以得出，当两条相邻平行管线材质相同、埋深(h)相等、并通以相同电流的条件下，其间距为0. 8h，即小于管线埋深时，异常曲线的总体特征与单根管线的异常曲线非常相似；间距为2h时，HX异常曲线先后出现双峰形态；当其间距继续增大至3h时，HX异常曲线就可明显的反映出两条管线的特征。当两条相邻管线埋深不同、材质不同时，由于管线的磁感应性及其在电磁场中的场位不同，其激发出的感应电流大小不一，利用这种现象，通过发射机的压线感应，就可使目标管线获得最大的感应电流，从而压制旁侧干扰因素，获取目标管线的有效异常，最终对地下管线进行准确定位。

水平、倾斜和垂直压线法是利用发射机的水平线圈在管线的正上方不产生激发效应，从而达到压制非目标管线异常、突出目标管线异常的目的，压线法的工作原理见图1。

图1：水平、垂直和倾斜压线法示意图

T1是水平压线法，T2是倾斜压线法，当T2直立时就变成垂直压线法。

4.2 各类非金属管线的探测

城市地下管线种类繁多，有给水、排水(雨、污水)、燃气、热力、通讯、电力、工业等。管线的材质也各不相同，即使是同一种管线，其材质也有很多种，如：铸铁、钢、砼、塑料(PVC、UPVC等)、铜、光纤等等。金属管线用管线仪基本都能准确探测定位，而对于非金属管线，尽管能用于探测的物探方法很多，但效果都不是很理想，这是因为地下管线探测与物探找矿不同，管线探测主要是解决浅地表管线的空间准确位置问题，精度要求特别高，达厘米级。管线探测仪对非金属管线基本没有探测效果，尽管管线仪可以配备探测非金属管道的探头，但对于非金属的燃气、给水和高压污水管道，根本就没有应用探头的条件，所以在地下管线探测中遇到这些复杂情况，一般都采用探地雷达来对管线进行精确定位。

(1)雷达剖面上地下管线异常的特征当地下管线与周围介质存在明显的电性(介电常数、电导率)差异时，给水、燃气和排水等管道类管顶电磁波反射呈现拱形曲线形态，拱形曲线顶点即为管线中心位置；管沟、管块类管线，反射波形态呈现平直线形态，其中心位置为顶板中心。管径大，反射波曲线平缓；管径小，曲线尖锐。当管线的埋深大时，反射波异常幅度减弱，曲线形态趋向平缓。管线的材质与周围介质电性差异越大，反射越强，波形幅度大；反之，反射弱，波形幅度小。当顶板宽度相对埋深很小时，呈现类似圆形管道的反射异常形态。

(2)探地雷达探测地下管线的主要影响因素城市地下地质环境非常复杂，地电条件各处不一。探地雷达在探测地下管线时，会受到各方面因素的影响，使目标管线的异常图像变得极其复杂，有效异常难于识别，所以要充分分析这些影响雷达探测的主要因素，排除干扰异常，以正确识别目标管线的有效异常。

5 结语

地下管线被誉为城市的“生命线”，是城市赖以生存和发展的物质基础。因此，查明城市现有地下管线的分布和规划好未来地下管线的布局，对城市建设和管理、城市生活保障具有十分重要的意义。[4]地下管线探测是物探与测绘的完美结合，虽然地下管线的探测工作在我国起步较晚，但是经过广大物探和测绘工作者的努力，有些城市的地下管线管理水平甚至达到了国际先进水平。

现阶段对于金属管线的探测手段已经比较成熟，采用直接法和电磁感应法能够比较准确的实现对地下管线的探测。但对于非金属管的探测仍存在一些困难，示踪电磁法和电阻率法毕竟有其自身的缺点，在实际的运用中要受到诸多限制。虽然地质雷达法探测非金属管道效果比较好，但仍存在仪器成本太高的问题，而且应主要发展抗干扰能力强、采集数据质量高、轻便、处理速度快、分辨率高、操作便捷又比较经济的探地雷达系统。所以，对非金属管道的探测，无论是在探测方法还是在探测仪器方面均需做出改进，使得对非金属管道的探测更加简便、快捷、经济。城市地下管线与探测是城市地质工作的重要组成部分，应该利用高新技术，做好这项工作。如何更加快速、准确、经济地完成地下管线探测任务，以保障城市和谐发展，是今后物探和测绘研究的重要课题之一。

参考文献：

[1]吴思蕴. 试论探测技术在城市地下管线中的应用[J]. 科技资讯. 2012(22)

[2]闫向军,吴国斌,赵红燕. 电磁法探测复杂区域地下管道的仿真研究[J]. 石油机械. 2012(01)

[3]王勇,陈伟. 近间距平行地下管线探测方法研究[J]. 测绘通报. 2011(03)

[4]马忠海,杨栋,张倩. 城市地下管线探测技术研究[J]. 中国产业. 2011(01)