城市地下管線探測技術發展應用探討

朱勇

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東 廣州 224200）

0 引言

近日，廣州突降暴雨導致了重大財產損失這一消息將廣州城市地下管網建設推到了風口浪尖，廣州幾乎每年雨季都會發生大雨洪澇事故，另外道路塌陷，水管爆裂等事故也經常發生，這類事故屢見不鮮，反映了廣州城市地下管網建設不夠完善，急需進行全面普查。廣州市地下管線權屬單位種類較多，缺乏統一協調管理，隨著各單位新建鋪設管線規模越來越大，數據庫已出現較大斷層，急需進行全面普查，補充更新建檔案，統一管理，合理規劃，查漏補缺，以保證城市的有序發展。管線普查的完善依賴于管線探測技術的發展，國內地下管線探測技術從20 世紀末發展至今，由早期的較為單一的人工開井調查，發展為開井，聲波測試以及包括電磁法、直流電法、磁法、淺層地震法等在內的物探技術的綜合應用開展。地下管線探測涉及眾多學科，目前不缺探測新技術，但要綜合解譯分析仍然是一個難點。

縱觀國內管線探測技術發展史，地下管線探測內外業一體化是今后發展大勢所向，其檔案資料也將由傳統的人工管理、各單位分支管理過渡到數字化信息化統籌的管理方式[1]。城市地下管網的健康運營是整個城市生態體健康發展的重要保障，規劃、建設和管理好地下管線是新型城市建設的重中之重，也是將來維系社會經濟、市民生活和城市協調可持續發展的基石。有效的探測技術是目前研究的重點，地下管線的存在會改變原有地下天然或者人工物理場的存在狀態，對于由此產生的地球物理條件異常，可以通過地球物理儀器探測其規律，進而判斷該處地下可能存在的影響因素，以此推斷管線位置，走向和埋深。目前國內外使用的物探方法較多，針對性不同，效果也參差不齊。本文就現有幾種物探方法做簡單分析評價。

1 電磁感應法

電磁法細分探測方法較多，電磁感應法應用較多，其中金屬管線探測儀探測管線是當前應用最為廣泛的一種方法，該技術較為成熟，儀器使用成本較低，對技術人員的使用技巧要求不高，可以很快進行生產作業，在目前國內各大城市管網建設蓬勃發展的形勢下，對于管線探測人員的大量需要也為金屬管線探測儀在國內各作業單位的鋪開提供了先決條件。其主要原理是利用電磁感應以探測地下電纜和金屬管線的精確走向、深度以及定位電纜的開路、短路及外皮故障點[2]。目前國內外開發的此類儀器種類較多，但基本構成都是發射機和接收機組成。探測過程由發射機產生電磁信號開始，通過不同的發射連接方式將信號傳送到電纜和金屬管線上，目標管線感應到電磁信號后，產生感應電流，感應電流沿著電纜和金屬管線向遠處傳播，電生磁，產生電磁場信號，接收機通過接受這些電磁場信號，計算判別地下電纜和金屬管線的位置、埋深和走向等。該方法技術成熟，不過在非金屬管線（混凝土、PE、PVC 等）的探測方面，應用受限，必須借助金屬探頭，放入管線內部，管線也需要貫通，操作過程比較費力，信號接收有時較差。基于管線探測儀，目前有配套的電子標識系統（EMS），開發出更高智能的電子電位儀，通過該系統，不僅對于管線的走向，埋深等有比較精確的探測，對于管線損壞和泄露等探測的敏感性也較高。

2 電磁波法

電磁波法主要是指探地雷達（GPR）探測法，該方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜（1～3GHz）電磁技術，基于電磁波基本理論開發[3]。基本組成部分為發射天線、接收天線和主機，通過一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接收地下介質界面的反射波，發射天線發出的電磁波傳播到了地下，在各類管線與土質界面處產生反射波，其路徑、電磁場強度與波形等將隨所通過介質界面的電性質差異等反應到幾何形態上，經過主機對電磁信號的轉換處理后傳送到計算機并成像。根據接收到電磁波的振幅、波形及波速等，進行相應的時深轉換，以此推算判別地下管線的結構、走向和埋深[4]。探地雷達儀器成本較高，使用需要一定的操作性，數據需要解譯處理分析，對于探測地面條件需要較為平坦，同時因各探測點地質情況參數的不同，需要在了解測區地球物理特性，大致管線分布情況的基礎上進行相關試驗，以調整合理的測試參數再進行探測。此方法經濟性較低，城市內復雜的地電條件，也給探地雷達探測以及異常解釋帶來一定的因難，不宜進行大面積管線探測，一般用于非金屬管線探測以及復雜條件下的并行管線等補充探測。

3 高密度電法

高密度電法作為直流電法的一種，以其經濟效益高，操作簡單，覆蓋面廣，探測深度大，適應性強的特點，在城市地下不良地質體的探測方面應用較多，包括溶洞，斷層，地層劃分等。對于地下管線探測方面，該方法對于非金屬管線有很好的成像效果，彌補了金屬管線探測儀只能探測金屬類管線的缺點，形成了很好的互補作用。其主要原理與常規的電阻率法基本一致，以各介質的導電性差異為探測基礎、通過對地面電極施加電場，A、B 電極向地下供應電流，然后在M、N 極間電流傳入地下，接受電流信號，通過對組合電極間的電位差ΔV 進行測量，可求得該點（M、N之間）的視電阻率值，根據信號推斷地下不同電阻率的地質體的分布。

相對于常規電阻率法，高密度電法布置了較高密度的測點，只需將全部電極布置在一定間隔的測點上進行觀測，各電極自由組合。高密度電測系統相較于傳統電阻率法引入了自動控制理論，通過大規模集成電路控制電極自由組合，可以獲取更全面直觀的地下管網信息，方便對比研究。非金屬管線（混凝土、PE、PVC 等）與周邊的土質有很好的電阻率差異，為高密度電法在管線探測中的應用提供了基礎條件，只要地面情況允許，可以彌補金屬管先探測儀不能探測非金屬類管線的不足。

4 地形電導率儀

地形電導率儀作為輔助管線探測方法在國外使用較多。主要工作原理是通過設備將電導率差異引起的渦流從地面傳播到地下，電磁渦流變送器將渦流反射回地面，具有導電性的物體接觸與周圍土壤不同，所接受到的信號也有差異，反射電流具有可區分的價值。附在末端的接收器設備分析反射電流檢測地下設施。該方法可用于復雜環境的地區電導率測試，對于在一些情況下干燥土壤中的大型非金屬水管或濕土中大型非金屬空管也可以成像。對于目前其他物探方法探測效果較差的大型非金屬管有很好的輔助探測效果。但是受探測環境影響，沿線沿架空電力線路及地上生產金屬物體，如柵欄、車輛或建筑物，會對電導率讀數產生干擾，可能會對探測效果造成一定的影響。

5 聲發射法

聲發射法是一種聲學方法，通過的聲發射傳感器，連接到一個管線開口上的主線，應用聲波從132～210Hz 進入管道，聲波沿著管道的走向行進并衰減，同時通過管壁進入管道周圍土壤，通過接收傳感器接收到地表的聲波，監測最高（峰值）間接確定振動振幅，進而判別管線的走向。聲發射法可檢測的范圍高度依賴于載聲材料的剛度，作為剛性材料的逆體積模量增大，深度和水平距離的探測能力源聲也隨之增加。這種方法可以在氣體情況下探測深度可達2.5m，涉及水的管道可探測深度可達2m 左右，水平范圍可達300m，一般用于塑料燃氣管道和水管等公用事業管線檢測。不過該方法對環境要求較高，外界噪聲的敏感性干擾，剛性土等條件對其探測效果均有影響。

6 結語

基于現在，展望未來。從技術面來看，當前國內管線探測物理手段百花齊放，各有所長，未來城市地下管線探測技術的發展和攻克重點是較為復雜條件下的地下管線探測。這方面主要有兩個大方向：①針對不同城市的特點及其特定地質條件、管線不同埋設條件、不同材質進行探查方法技術研究，加強現有各方法儀器對于復雜管線的試驗研究，總結各方法對于各類型地下管線的信號響應和數據解譯異同，科學劃分每種方法的優劣領域，克服單一物探方法的局限性，為多方法綜合解譯提供準確性較高的基礎數據[5]。②積極研究開發高精度、抗干擾能力強、數字智能化的儀器設備。從大局管理方面來看，完善城市地下管線監理機制，加強管線智能檢測與定量評價，協調統一各單位權屬管線數據庫，加強信息共享、交換與管理，合理利用資源，促進城市地下管網的科學健康可持續發展。