管線儀及地質雷達探測地下管線

王　強，王志浩

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院，濟南 250101)

?

管線儀及地質雷達探測地下管線

王強1，王志浩2

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院，濟南 250101)

摘要：隨著近年來城市建設的不斷發展，地下管線鋪設越來越多，這些管線錯綜復雜、權屬不同部門，理清起來也比較困難。在工程建設時，經常會出現管線被挖斷情況，引起電力、供水等中斷，尤其是誤挖到煤氣管道，還會對工作人員造成一定危險。因此對一些沒有資料或者資料不準確的城市管線要采取一些手段來查明，從而為工程設計、施工提供依據，避免此類事故的發生。文章介紹了管線儀與地質雷達的基本原理，并通過工程實例介紹了兩種方法野外工作步驟，利用管線儀探測金屬管線、地質雷達探測非金屬管線，分析對比了兩種方法各自的優缺點。通過綜合物探方法確定了地下管線的位置與形態，為后期設計及施工提供了依據。

關鍵詞：管線儀；地質雷達；地下管線；探測

0引言

隨著近年來城市建設的不斷發展，地下管線鋪設越來越多，例如：通信、電力、供排水、煤氣等，這些管線錯綜復雜、權屬不同部門，理清起來也比較困難。在新工程建設時，經常會出現管線被挖斷情況，引起電力、供水等中斷，尤其是誤挖到煤氣管道，還會對工作人員造成一定危險。

因此對一些沒有資料或者資料不準確的城市管線要采取一些手段來查明，從而為工程設計、施工提供依據，避免此類事故的發生。

1管線儀及地質雷達的基本原理

主要包括管線儀的基本原理和地質雷達的基本原理2個部分：

1.1　管線儀的基本原理

管線儀工作主要是依據電磁原理，電磁法以地下管線與周圍介質的導電性、導磁性差異為基礎，觀測電磁場的變化，確定電磁場的空間與時間分布規律，達到探測地下金屬管線的目的。

1)當地下管線無出露部分，不能直接對地下管線供以諧變電流時，首先通過發射線圈，供以諧變電流，在周圍產生足夠強的諧變磁場，形成諧變電流，帶諧變電流的管線在其周圍又形成諧變磁場，形成為二次場。電磁法探測地下管線時，可以通過測定二次場的的變化來確定管線的特征。

電磁感應的原理見圖1。

圖1　電磁感應原理示意圖

2)當地下管線本身存在有工頻感應電流或者甚低頻感應電流時，在地下管線周圍產生一定強度的電磁場。

工頻和甚低頻電磁感應原理見圖2。在探測過程中，將地下管線近似為理想狀況下無限長線性導體。

圖2工頻、甚低頻電磁感應原理示意圖

3)當地下管線具有出露部分，可以直接對地下管線供以諧變電流，通過測定在管線周圍產生的電磁場的變化來確定管線的特征。

1.2　地質雷達的基本原理

地質雷達工作方法原理類似于探空雷達，是地球物理方法中的一種高分辨率、高效率的探測方法，是20世紀地球物理探測科學的結晶。

地質雷達方法是將高頻電磁波(1MHz～1GHz)，以脈沖的形式通過發射天線定向地送入地下。電磁波在地下介質中傳播，當遇到存在電性差異的地層或目標體時，發生反射、折射和繞射，最后反射回地面的電磁波被接收天線所接收，由地質雷達系統采集并顯示。

采集到的電磁波數據經過濾波、走時校正、增益調整等處理后，根據電磁波時間變化、波形、振幅強度等特征，推斷地下介質的空間位置、形態、結構和埋藏深度，從而能夠探測到地下地層或目標體[1]。

根據探測目標體不同，雷達天線中心頻率按式(1)確定：

(1)

式中：f為雷達天線中心頻率，MHz；X為空間分辨率，m；εr為相對介電常數。

本次工作中空間分辨率初定為0.5 m，相對介電常數根據場地情況綜合選取為16，雷達天線中心頻率f為75 MHz，選擇與其頻率接近的100 MHz天線即可。

雷達觀測時窗選擇根據下式計算：

(2)

式中：W為走時窗口，ns；v為探測深度，m；v為電磁波在介質中的傳播速度，m/ns。本次探測深度定為10 m，電磁波的傳播速度0.08 m/ns，計算得走時窗口為162.5 ns，采用走時窗口大小為300 ns。

2應用實例

主要包括4個方面的內容：

2.1　工程概況

尚志市螞蟻河有一條在用輸水管線，由于年代久遠，沒有詳細工程圖紙，無法定位。為了防止在工程施工中對管線造成破壞，需要對該管線進行精確定位。通過已有資料得知，該管線管徑約為0.5 m，最淺處埋深距地表2.0 m，最深處約3.0 m，需要探測管線長度約1.03 km。管線材料部分為金屬、部分為非金屬(混凝土)，未見出露部分，中間部分存在1~2個轉折點。

2.2　工作布置

本次工作中，在甲方指定的范圍內使用管線儀從管線金屬端開始探測，管線儀能直接確定管線平面位置、走向，每探測10~20 m在地面上留標，每50 m布置地質雷達橫測線，用于與管線儀器校對。在管線儀信號弱或者管線變為非金屬時，在垂直管線方向用雷達進行布線探測，每20 m布置一條測線，測線長度視實際情況定為20~50 m，直至測區邊界。

2.3　使用儀器及方法技術

本次使用儀器為北京奧華公司生產的奧華AP-1型管線儀和美國勞雷公司生產的Sir 10b型地質雷達。

當管線儀探測遇到管線異常時，屏幕上可見管線異常曲線，并伴有聲音提示，當達到峰值時，管線儀位于管線正上方。電磁場梯度與埋深存在一定關系，管線埋深可以通過儀器直接測讀。常用測讀深度方法還有△Hx70%法，利用△Hx百分比與管線埋深具有一定的對應關系，通常用管線△Hx異常曲線上70%處兩點之間的距離近似管線埋深，本文采用此方法測定管線深度[2]。

地質雷達采用100 MHz自發自收一體式天線，測點距采用20 cm，采用點測方式。采集到數據為地質雷達波形圖，濾波高通、低通分別采用25 MHz、200 MHz，對其走時進行校正后，給定介電常數16，可以得到管線平面位置及深度位置。

2.4　資料解釋

由于雷達波形剖面圖較多，只選取部分有代表性剖面圖進行解釋說明。

如圖3～圖6所示，在4條測線中都發現了拋物線形異常，這是典型的管線異常反應。分別位于A測線7.0 m處，深度2.0 m；C測線14.5 m處，深度2.0 m；F測線5.3 m處，深度2.5 m；H測線7.0 m處，深度2.5 m。

圖3　測線A地質雷達波形剖面圖

圖4　測線C地質雷達波形剖面圖

圖5　測線F地質雷達波形剖面圖

圖6　測線H地質雷達波形剖面圖

結合管線儀資料，前幾處異常皆能一一對應，在樁號0+480m后，管線儀信號消失。綜合分析，該供水管線長1.03 km，大致走向為西北-東南向(具體位置由測量人員定位留標)，樁號0+000~0+480m為金屬管，0+480~1+030m為非金屬管，埋深2.0~2.5 m，在樁號0+426m處存在一處轉折點。

3結論

管線儀能夠快速有效的在現場對管線進行定位，但對于非金屬管線無效且探測深度較淺。地質雷達能對多種材料進行探測，但是資料需要進行處理分析，耗時較長。通過兩種方法結合，能進行優勢互補，快速準確完成任務。

參考文獻：

[1]王明德.地質雷達在管線探測中的應用[J].工程地球物理學報，2009(6)：65-69

[2]李大心.探地雷達應用與方法[M].北京：地質出版社，1994.

[作者簡介]王強(1985-)，男，黑龍江綏濱人，工程師；王志浩(1983-)，男，河南魯山人，工程師。

[收稿日期]2015-06-15

中圖分類號：TU195；TU990.3

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0095-03