地下管線探測中的物探方法試驗和探測儀器一致性校驗

杜良法*

(1.中國地質大學(北京)地球探測與信息技術學院，北京 100083;2.中國冶金地質總局山東局山東正元地理信息工程有限責任公司 山東濟南 251010)

1 前言

地下管線是城市重要的基礎設施，為了獲取準確可靠的地下管線空間信息和屬性信息，多種物探方法和物探技術被應用于地下管線探測中。解決淺地表的地質問題，物探方法具有無損、準確、高效和便捷的優勢，但也存在多解性和局限性的特點，這些特點是產生系統誤差的主要原因，而方法試驗和一致性校驗是消除系統誤差的主要手段。通過物探方法試驗和探測儀器的一致性校驗，針對不同的地球物理條件，合理選擇有效的物探方法和儀器設備，是準確獲取地下管線信息數據的有效途徑。

2 方法試驗與儀器一致性校驗的理論基礎

2.1 地下管線探測技術特點

城市地下管線具有隱蔽性和復雜性，利用物探技術進行地下管線探測，具有無損、準確、高效和便捷的優勢，但物探技術也存在多解性和局限性的特點［1］。物探技術的多解性主要表現在兩個方面:一是不同地質體(目標管線)在條件適宜時，可產生相同的物探異常特征(正演多解性);二是多種物探異常特征反映的是同一地質體(反演多解性)。這主要是由于地球物理場固有的等效性、觀測數據的離散性和有限性以及觀測場包含的誤差和其他場源的影響，導致了地球物理探測結果的不唯一［2］。能夠被用于地下管線探測的物探方法和物探技術很多，每一種物探方法和物探技術都有其應用條件，而地下管線的隱蔽性和地球物理條件的復雜性(近間距平行管線、特深管線、非金屬管線、大口徑管線、地面建(構)筑物鋼筋網、導電覆蓋層與導電圍巖、金屬護欄、空中電纜線、復雜地形地貌等)，使復雜的地球物理條件變成物探技術使用的限制因素，這就是物探技術的局限性。

在城市地下管線探測中，金屬管線探測儀由于探測結果準確、效率高和成本低，而被大量的投入使用，成為獲取城市地下管線探測成果數據的主要工具。多家單位(業主、監理、各施工單位等)所投入的管線探測儀，廠家不同、型號各異，由于儀器探測原理的特殊性，目前還沒有專業的權威機構對其精度狀況進行鑒定，必須靠現場儀器的一致性校驗來標定精度狀況，使所投入的管線探測儀處于同等精度的工作狀態，禁止探測精度較差的管線儀投入使用。

2.2 誤差分析理論

地下管線探測所產生大量的探測數據，由于各種因素的影響，必然存在觀測誤差，觀測誤差分為系統誤差和偶然誤差。管線探測的系統誤差可分為:方法誤差、干擾誤差、儀器誤差、操作誤差。方法誤差是由于所使用的探測方法或技術不合理而引起的誤差，物探技術的特點表明，使用條件不當時，可產生較大的方法誤差;干擾誤差是指在復雜條件下各種常見的干擾因素所引起的探測誤差，城市地下管線探測中，干擾因素普遍存在;儀器誤差是由于探測儀器本身的缺陷而引起的誤差;操作誤差是因為作業人員的操作不規范造成的誤差。偶然誤差是在相同觀測條件下，由于各種偶然因素，使對同一物理量進行多次觀測的結果產生時大時小的誤差。偶然因素的影響一般是微小的，而且難以確定是哪個因素產生以及具體影響的大小，因此偶然誤差難以找出原因而予以排除，只能通過增加平行觀測的次數，使觀測結果的算術平均值盡量接近真值。中誤差作為衡量觀測精度的一種數字標準，主要反映的是偶然誤差。系統誤差影響觀測精度，系統誤差產生的原因，可以通過一定的方法找出，并采取適當的措施消除或降低其對中誤差(觀測精度)的影響［3］。

2.3 消除系統誤差的方法

在地下管線探測中，由于物探技術的特點，觀測誤差是客觀存在的，但觀測誤差中的系統誤差應該通過一些措施，找出原因并予以消除，使中誤差的計算僅包含偶然誤差，真實、客觀地反映探測成果的精度。系統誤差的消除，可通過物探方法試驗和儀器的一致性校驗來實現，系統誤差消除方法，如表1所示。

系統誤差消除方法一覽表 表1

3 方法試驗與一致性校驗

3.1 物探方法試驗

城市地下管線具有隱蔽性，且種類繁多，其材質、埋設方式以及所處的地電環境各不相同，復雜的干擾因素隨處可見。通過物探方法試驗，了解地下管線和環境的地球物理特征、掌握復雜條件和各種干擾因素、確定所選擇物探方法和儀器的有效性和相關參數，使探測成果滿足精度要求。物探方法試驗應該從兩個方面來考慮。

(1)綜合物探方法試驗

可用于地下管線探測的物探方法很多，主要有電磁法、電法、磁法、地震法等。由于物探方法的多解性和局限性，每一種物探方法都有其適用條件，它們所利用的地球物理條件和物性參數也各不相同。一般情況下，電磁法技術探測金屬管線，效果明顯。在復雜情況下，有時電磁法技術探測效果不理想，可利用地下管線與周圍介質的介電性、磁性、彈性和溫度差別，采用電磁波法、磁法、地震法和紅外輻射法等方法，通過各種方法的試驗工作，選擇有效的物探方法投入使用。綜合物探方法在解決復雜條件下的疑難問題時，具有一定的效果，在城市地下管線普查中也取得了不少成果的案例。例如，岳亞東利用地震波法中的COD法(單道共偏移法)探測非金屬排水管道［4］，王水強等人利用磁梯度法探測深度(10.5 m)較大的非開挖金屬輸油管道［5］，均取得了理想的探測效果。

(2)電磁法技術方法試驗

電磁法技術較為成熟，因其準確、快速和便捷，在城市地下管線探測中被廣泛使用，目前各施工單位所進行的方法試驗主要是針對電磁法技術。電磁法技術有許多的工作方式，按激發方式可分為:直接法、感應法、夾鉗法、工頻法、甚低頻法等;按場源分類可分為:主動源和被動源;按目的不同(解決復雜問題時使用的方法)可分為:示蹤線法、選擇激發法、動源感應法、旁側感應法、壓線感應法(水平、垂直、傾斜)和電流識別法等。

通過方法試驗，一方面根據不同的地球物理條件，選擇電磁法技術最有效的工作方式，取得最佳的探測效果;另一方面要確定電磁法技術相應的工作參數，如:最小收發距、最佳收發距、最佳發射頻率、合適的發射功率和合理的修正系數，保證探測精度［6］。下圖為山東正元公司在某城市地下管線探測前進行的最佳收發距試驗曲線，試驗儀器為RD4000。從圖中可以看出，當發射功率50%，增益40時，儀器的最佳收發距為20 m。

圖1 最佳收發距試驗曲線

3.2 儀器一致性校驗

工程項目施工前，對于長期擱置后投入生產的、經過長途搬運后用于生產的以及經過檢修或調節后又用于生產的金屬管線探測儀均應進行一致性校驗。管線探測儀器的一致性校驗是為了消除由于儀器缺陷而造成的系統誤差，使投入使用的管線探測儀處于同等精度的工作狀態，選擇有效的儀器投入生產。

儀器的一致性校驗應該設立總校點和分校點。總校點是所有探測單位進行儀器一致性校驗的地點，分校點是管線探測單位在自己測區內對本單位投入使用管線探測儀進行一致性校驗所選取的校驗點。各探測單位應在各自測區分校點進行一致性校驗的基礎上，選擇一致性較好的儀器在總校點上進行校驗。分校點有兩個重要作用，一是定期校驗儀器;二是對于后期投入的儀器，在分校點上進行一致性校驗，合格后投入使用［7］。

多臺儀器的總觀測精度的計算公式為:

式中:△Vi——某次觀測值(包括參與計算平均值的所有數據)與該點各次觀測平均值之差;

m——總觀測次數，即參加校驗的所有點上全部觀測次數之和;

n——參與校驗的點數。

當總觀測精度ε在數值上不超過工作精度的1/2時，可以認為儀器一致性良好。當總觀測精度ε超過工作精度的1/2時，要及時查明存在缺陷的儀器，并禁止投入使用。這里的工作精度指的是《地下管線探測技術規程》中規定的管線點探測限差要求，即:平面位置限差δts=0.10h;埋深限差δth=0.15h(h為目標管線的中心埋深)。

4 結論與建議

從地下管線探測技術特點和誤差分析理論可以得出，在開展地下管線探測工作前，對物探方法和物探技術要進行方法試驗，對投入的管線探測儀要進行一致性校驗，消除系統誤差的產生，采用最有效的物探方法和技術，在合理的物性參數基礎上，取得理想的探測效果。

在進行物探方法試驗和儀器一致性校驗時，還要注意以下幾點:

(1)不但要對常用的電磁法技術進行方法試驗，還要對測區內的疑難問題進行綜合物探方法試驗。

(2)儀器一致性校驗應該提倡采用總校點和分校點的工作模式，分校點的設立，對儀器進行全面、及時的校驗，具有重要作用。

［1］李學軍，杜良法.物探在保障城市地下管線安全中應用問題的思考［J］.城市勘測，2010(增刊2):44～47

［2］劉士毅，田黔寧，趙金水等.解決物探異常解釋多解性的一次嘗試［J］.物探與化探，2010，34(6):691～696

［3］吳石林，張玘.誤差分析與數據處理［M］.北京，清華大學出版社，2010.72 ～84

［4］岳亞東.COD法在非金屬管線探測中的應用［J］.煤炭技術，2003，22(7):110 ～115

［5］王水強，黃永進，李風生等.磁梯度法探測非開挖金屬管線的研究［J］.工程地球物理學報，2005，2(5):353～357

［6］李鳳之.淺談地下管線探測方法試驗［J］.城市勘測，2009(增刊):152～154

［7］杜良法，王少兵.城市地下管線普查中金屬管線探測儀一致性校驗問題探討［J］.華北科技學院報，2008，5(2):40～47