綜合管線探測技術在城市管線探測中的應用

王 健，江怡芳，朱能發，潘喜峰

(1．天津市勘察院，天津300191;2．天津市星際空間地理信息工程有限公司，天津300191)

地下管線是城市基礎設施的關鍵組成部分，隨著國民經濟持續快速發展和城市基礎建設的日新月異，城市地下管線的分布日趨密集和錯綜復雜。城市建設施工時，經常遇到由于不能確定地下管線的走向和深度而挖斷供水、供氣、輸油管線和電纜、光纜的情況，給生產和生活造成巨大損失和不便。為維護城市生命線正常運行和可持續發展，從現代城市管理的需要出發，一個能快速提供真實準確的地下管網數據，并能實現快速查詢、綜合分析等功能，為城市運行和決策部門的日常管理、設計施工、分析統計、發展預測、規劃決策等提供多層次、多功能、各種綜合服務的地下管網信息系統，已經成為城市發展的迫切需要，而管線數據的準確性、真實性更是這個系統的重中之重。因此，在地下管網探測時，應選擇合理的技術，進行科學探測，切實保證探測的效果。

一、城市管線簡介

地下管線是指埋設于地下(水下)的各種管(溝、巷)道和電纜的總稱。地下管線的種類較多，埋設方法與工藝方法不盡相同。根據地下管線的用途或性質不同，可以分為以下幾種:給水、排水、燃氣、電力、電信電(光)纜、供熱、人防通道、工業管道。按照材質的不同，又可分為由鑄鐵、鋼材等金屬材料構成的金屬管道;由銅、鋁等金屬材料構成的金屬電纜;由光纖材料構成的非金屬線纜;由陶瓷、水泥、塑料非金屬材料組成的非金屬管道;由鋼筋作為骨料構成的水泥管、墻體。

根據埋設方式不同，可分為以下幾種:架空敷設、直埋敷設、地下管溝敷設、共同溝敷設、非開挖敷設。非開挖技術又稱水平定向鉆探技術(horizontal directional drilling)，即非開挖敷設地下管線施工技術。它是傳統管線施工技術的一次革命，經濟、環保、安全，它不破壞環境、不阻斷交通、不擾民，不破壞已有建筑物或構筑物，具有較高的文明程度。地下管線非開挖方式敷設一般分頂管施工和定向鉆穿越兩種，埋深一般在幾米至十幾米之間，有的甚至達幾十米。

二、城市管線探測的任務

管線探測目的是查明各種管線的敷設狀況、投影位置和埋深、管線類別、材質、管徑規格、載體性質、電壓(壓力)值、電纜條數、管塊孔數、權屬單位、附屬設施等。它包括管線探查和管線點測量，管線點包括明顯管線點(實地可直接定位的點)和隱蔽管線點(實地看不見的管線點，也就是必須通過探測或其他方法定位的點)，并最終生成綜合管網圖及數據庫。

三、綜合管線探測技術

鑒于地下管線埋設方式及材質的多樣性，單一的物探方法有一定的局限性，不能滿足管線探測要求。綜合管線探測技術是指在城市管線探測中針對某一工程采用多種探測手段相結合的方法，探測清楚該工程區域內所有地下管線。根據地下管線的不同埋設方式及不同材質，主要應用以下幾種管線探測方法。

1．電磁法

1)工作原理:電磁法即常規物探儀探測方法，是探查地下管線的主要方法，是以地下管線與周圍介質的導電性及導磁性差異為主要物性前提，通過發射機在發射線圈中提供的諧變電流(一次電流)在地下建立諧變磁場(一次場)，地下管線在諧變磁場的激勵下形成二次電流，然后通過接收機的接收線圈來測定二次電流所產生的諧變磁場(二次場)來推測地下管線的存在和具體位置。當地下管線與周圍介質之間電性差異明顯且管線長度遠大于管線埋深時，探測效果明顯。

2)可解決的管線定位問題:其主要探測目標為埋深小于3 m的金屬管線和電纜，對有出入口的非金屬管道(如排水管)配合可進入管道內的示蹤器，也可以進行探測。

3)應用電磁法探測地下管線常用的工具為管線探測儀，方法有:直接法、夾鉗法、感應法和示蹤法。

4)精度分析:平面位置0．1 h，埋深采用70%法0．15 h。

2．導向儀法

1)工作原理:將帶場源的防水探棒(磁偶極子)置于所需探測的管道內，在其周圍空間產生一次交變磁場，由地面上的接收機接收探棒產生的磁場水平分量，進而確定待測管道的空間位置。

2)可解決的管線定位問題:可解決有空孔的一束非金屬管線的空間定位問題。

3)探測條件:對套管及排管敷設的深埋線類管線要有預留孔，對拉管施工的管線需挖出拉管部分的一側端點，保證管內沒有異物，導向儀探棒能順利通過。

4)精度分析:如無明顯干擾精度可達0．15 h，干擾較大時應與其他探測手段互相校核。

3．陀螺儀管道測繪方法

1)工作原理:陀螺儀管道測繪系統又稱慣性導航系統(inertial navigation system，INS)，是一種推算式的導航方式。通過慣性傳感器不斷對載體運動產生的慣性數據進行測量，實現對載體任意時刻位置和姿態的計算。陀螺儀用來感應機體相對于絕對靜止坐標系的角速度或角度變化，通過反饋或計算機的運算，加速度計所測量的加速度信息就可以在相對于慣性坐標系沒有角度偏轉的情況下，實現載體相對于慣性坐標系加速度的測量。然后將導航坐標系下測得加速度信息經過運算、解算得到地速信息，地速信息再次運算可以得到地面上的位移變化。

2)可解決的管線定位問題:可解決孔徑大于90 mm兩端開口的各類管線定位問題，不受地形限制和埋深限制。

3)探測要求:需管道兩端均為開口，且管內無雜物，管徑不能小于90 mm。

4)精度分析:采用陀儀管道測繪系統的探測誤差與被測管道的長度成正比，管道越長，誤差越大，大約是管道長度的0．2%，其誤差的最大點在被測管道的中部，不受外界環境干擾。

4．孔中磁梯度探測方法

1)方法原理:孔中磁梯度探測技術是通過勘測地磁異常來實現對鐵磁性管道定位。磁梯度法通過探測的鐵磁性管線在周圍區域磁異常的變化，分析判斷管線的平面位置及埋深。通過鉆孔的手段將磁梯度儀下到鉆孔內，自上而下測量鐵磁物質在垂直方向上的磁異常曲線變化，為了驗證數據的準確性，需重復測量一次，觀察其重復性，這樣可以得到較理想的探測效果。

2)可解決的管線定位問題:可解決深埋金屬管線或含鋼筋的砼管線的空間定位問題。

3)探測條件:對采用孔中磁梯度法探測的施工現場，首先了解目標管線大致位置及埋深，被目標管線上方必須具備鉆機就位條件，每個鉆孔的工作面為3 m×3 m工作平臺，上小型鉆機就位即可。

4)精度分析:孔中磁梯度探測技術的探測誤差與被探測管道的深度無關，其平面位置誤差與鉆孔的孔間距有關，一般情況下，最小孔間距是2．0 m時，平面位置誤差小于1．0 m，深度誤差一般小于0．5 m。

5．地質雷達法

1)工作原理:探地雷達(ground pentrating/probing radar，GPR)，是通過對電磁波在地下介質中傳播規律的研究與波場特點的分析，查明介質、結構、屬性、幾何形態及空間分布特征。它由地面上的發射天線T將高頻電磁波(主頻為106～109 Hz)以寬頻脈沖形式送入地下，經地下目標體或不同電磁性質的介質分界面反射后返回地面，被另一接收天線R所接收，而其余電磁能量則穿過界面繼續向下傳播，在更深的界面上繼續反射和透射，直至電磁能量被地下介質全部吸收，電磁波在地下介質傳播過程中遇到與周圍介質電性不同的管線界面時產生反射并被接收天線記錄下來，顯示在屏幕上形成一道雷達記錄。當天線沿測線方向逐點移動探查時，各道記錄按測點順序排列在一起，形成一張探查雷達圖像，通過分析雷達剖面圖像中各反射波強度、波形特征及到達時間，可推斷地下管線的分布狀況。

2)可解決的管線定位問題:可解決深埋深度大的金屬管線或含鋼筋的砼管線及大管徑非金屬管線的空間定位問題。

3)探測條件:為更好地實施探地雷達探測工作，在布置探地雷達測線前，應通過收集資料和現場踏勘盡可能詳細了解探測目標管線的管徑、材質及埋設情況;通過已探查的明顯管線點、分支管線了解目標管線的大致走向、位置和埋深。

四、工程案例

探測對象位于天津中心漁港商務區，中央大道與漢蔡路交口，緊鄰沿海高速，地形平緩、交通便利。

1．目的與任務

本次管線探測工作的目的是配合此處電力頂管穿越施工，探測測區內所有管線的平面位置及埋深。據調查得知此處存在多條燃氣管線、自來水管線、通信管線、電力管線、路燈及信號燈等管線，埋設方式有拉管、直埋，材質有鋼、球墨鑄鐵、銅、光纖、PE等材質，管徑有DN400、DN600、DN1000等，深度及平面位置不詳。考慮到施工安全，需要采用綜合物探方法探測施工區域內管線，為其頂管施工提供科學依據。

2．工作方法應用

經現場探測及調查，本測區存在15處拉管施工管線:包括供電4處，如圖1中(1)(2)(3)(8)所示;天然氣2處，如圖1中(4)(5)所示;路燈4處，如圖1中(6)(7)(9)(13)所示;電信5處，如圖1中(10)(11)(12)(14)(15)所示。其余均為直埋管線。

圖1

1)對直埋的金屬管道采用常規物探手段(RD8000管線探測儀)探測其平面位置及埋深，如常規直埋敷設的自來水、燃氣、電信、電力、路燈、信號燈等管線。

2)對電信及信號燈等深埋線類管線，圖1中(6)(7)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)處采用導向儀探測其平面位置及埋深，探測結果以(12)為例，成果見表1。

表1

3)對拉管施工的電力管線，圖1中(1)(2)(3)(8)先用常規探測方法找到拉管大致起始位置，通過開挖，將兩端管口露出，然后采用陀螺儀管道測繪系統及導向儀來確定其平面位置及埋深，實測過程中兩種方法互相校準。探測結果以(2)為例，成果見表2。

4)橫穿漢蔡路兩根高壓燃氣管道，圖1中(4)(5)，是深埋鋼質管道，先采用RD8000地下管線探測儀探測其粗略位置，再采用CCT-4型磁梯度儀結合100型鉆機采用孔中磁梯度法和逐漸逼近管線鉆孔的方法各確定3個點的準確埋深，根據該埋深再調整管線儀的探測結果，最終確定管線的平面位置和埋深。探測結果以(4)為例，成果見表3。

3．探測精度分析

本工程探測精度對常規敷設管線，其精度參照專業相關規程。對于深埋管線(拉管或頂管施工管線)精度參考如下:

1)當管線分布稀疏，管道之間的平面投影間距＞1．5 m或豎向間距＞2．5 m時，可以達到理想效果如下:通過綜合物探方法，探測點的精度可以實現平面位置偏差≤1．0 m，埋深偏差≤1．0 m。

2)當管線分布密集，管道之間的平面投影間距＜1．5 m或豎向間距＜2．5 m時，可能無法準確對每根管定位，結果以“管線組”為單位確定其整體平面位置及埋深。

表2

表3

4．成 果

本次管線探測工程采用了綜合物探技術，包括常規物探手段、導向儀物探方法、陀螺儀管道測繪系統、孔中磁梯度法，并采用GPS衛星定位測量等技術，測量手段先進，測量精度較高，成果理想。經多次分析本次探測數據，得出如下結論:

1)本工程區域內存在多處拉管施工管線，對具備探測條件的管線已進行反復探測，數據理想，無異常情況;通過對所獲取的數據進行綜合分析，認為此次測量數據符合各項技術指標要求，可作為管線測量成果提交委托方。

2)提供的成果包括管線圖和數據庫兩部分，圖上扯旗僅作為參考，準確的探測成果必須以管線測量成果表作為依據。

3)為保證安全利用地下空間，此區域有施工作業時需避開管線兩側至少1 m。

4)綜合管線圖經委托單位及管線權屬單位復核未發現遺漏問題，本工程在成果圖提交后結合成果報告開始施工，一個月內施工完畢，未出現任何管線安全問題。

五、結論及建議

綜合物探技術能夠解決管線探測中90%的問題，避免了市政工程管線施工的很多風險，但也存在未發現及無法解決的問題，為保證管線探測質量并避免施工風險，對行業同仁及市政工程施工單位建議如下:

1)由于目前管線材質及埋設方式的多樣性，管線探測難度大，綜合物探技術能夠解決的問題包括:埋深小于3 m的金屬管線和電纜探測問題;對有出入口的非金屬管道(如排水管)，有空孔的一束非金屬管線的空間定位問題;孔徑大于90 mm兩端開口的各類管線定位問題，不受地形限制，埋深限制;深埋金屬管線或含鋼筋的砼管線的空間定位問題。本文中提出的探測方法應互相校核，以確保探測結果的準確性。

2)由于目前物探方法的局限性，一些特殊管線在現場難以發現，包括無附屬物的非金屬管線、導電性極差的新型管線、無井無感應信號的通信管線、未通電或弱電的電纜、深度過大或拉管頂管在測區沒有出地點的管線。針對以上情況，管線測繪單位在出圖后應與甲方及施工單位進行管線圖說明，同時與相關管線權屬單位溝通，如發現問題，管線探測單位應及時采用相關探測手段到現場解決。如采用探測手段無法解決應在成果報告中予以說明。

3)由于地下管線的建設是一個動態的過程，管線成果只是截止提交日期前測區管線的實時反映，項目施工可能是一個較長的時間段，在此期間地下管道可能會有新增及拆除現象，為了避免施工損壞新建管線，建設單位應盡快施工或在施工前進行復測。

［1］ 張勝業，潘玉玲，等．應用地球物理學原理［M］．北京:中國地質大學出版社，2004:1-2．

［2］ 張漢春．非開挖特深管線的探測技術分析及展望［J］．地球物理學進展，2010，25(3):1092-1097．

［3］ 侯樹剛，陳靜．非開挖技術的發展研究［J］．科技進步與對策，2003(S1):232-233．

［4］ 陳穗生．管線探測四大難題的探測要點［J］．工程勘察，2007(7):62-67．

［5］ 余佳嵩．綜合物探技術在非開挖鋪管工程中的應用［J］．廣東科技，2007，168(6):131-132．

［6］ 詹斌，朱能發，孫士輝．基于磁梯度法的深埋管線探測技術研究［J］．巖土工程技術，2012(1):67-68．

［7］ 王水強，黃永進，李鳳生．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．

［8］ 丁華，朱谷蘭，汪大鵬．深埋管線探測方法技術分析探討［J］．工程地球物理學報，2010，7(3):390-393．

［9］ 杜良法，李獻軍．復雜條件下城市地下管線探測技術的應用［J］．地質與勘探，2007，43(3):116-120．

［10］ 李學軍，洪立波．城市地下管線探測與管理技術的發展及應用［J］．城市勘測，2010，8(5):5-11．