淺析城市地下管線疑難探測的方法及應(yīng)用

杜朋衛(wèi)

(北京同創(chuàng)達勘測有限公司，北京 100081)

1 引 言

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，它就像人體內(nèi)的“神經(jīng)”和“血管”，擔負著傳遞信息和輸送能量的工作，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”。查清城市地下管線的現(xiàn)狀，是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的需要，是抗震、防災(zāi)和避免管線事故的需要，是保證市民的正常生產(chǎn)、生活、出行和城市發(fā)展的需要，是加快經(jīng)濟發(fā)展，加速現(xiàn)代化進程的保障。隨著城市的快速發(fā)展，市政道路負載也越來越重，對地下管線的依賴性也越來越大。但在實際工作中，由于各種原因，諸多疑難管線使用常規(guī)的探測儀器和方法已經(jīng)無法得到解決，由于疑難管線的數(shù)據(jù)信息無法準確地獲取，經(jīng)常造成工程設(shè)計過程中修改設(shè)計方案，甚至發(fā)生因施工造成的管線破壞事故。因此，摸清地下管線現(xiàn)狀，提供準確的管線數(shù)據(jù)信息是城市規(guī)劃建設(shè)、工程施工、管線運維、應(yīng)急搶險等城市管理發(fā)展迫切需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 管線的探測難點

地下管線具有種類多，材質(zhì)多樣，權(quán)屬單位不同，鋪設(shè)時間不定和施工方法不同的特點，使管線經(jīng)常出現(xiàn)縱橫交叉、上下重疊的走向，同時受地面干擾源的影響，導(dǎo)致準確地探測出各種管線的走向、埋深、連接關(guān)系等信息具有一定的難度。歸結(jié)起來，疑難管線的探測通常是指對非金屬材質(zhì)、非開挖鋪設(shè)施工的、長距離大埋深的、檢修井等明顯點少的、管線鋪設(shè)間距小、周邊環(huán)境高干擾的管線進行準確地探測。

3 疑難管線的探測方法

3.1 選擇合適的探測方法

管線探測儀的主要作業(yè)方法分為被動源法和主動源法，被動源法分為工頻法和甚低頻法，主動源法包括直連法、夾鉗法、電偶極感應(yīng)法、磁偶極感應(yīng)法和示蹤電磁法。由于探測儀器的信號發(fā)射與計算參數(shù)存在一定的差異，進行管線探測時，依據(jù)管線的材質(zhì)與周圍介質(zhì)存在不同物理特性差異的特點，選擇合適的探測方法和工作頻率，能夠有效地提高對疑難管線的探測精度[1]。

管線探測儀常用工作頻率的劃分：低頻(10 kHz以下的頻率)、中頻(10 kHz～40 kHz的頻率)、高頻(40 kHz以上的頻率)。根據(jù)探測管線的自身特點，結(jié)合本人在管線探測工作中的總結(jié)，管線探測工作模式和頻率可參考表1。

探測儀工作模式和頻率 表1

3.2 密集管線的探測方法

對于密集重疊的導(dǎo)電管線探測，應(yīng)優(yōu)先采取直連法探測或夾鉗法探測，從而減弱相鄰管線對目標管線的信號干擾。然而，在實際探測中，經(jīng)常出現(xiàn)目標管線檢修井、裸露點等明顯點缺少，沒有良好的接地條件等情況，無法采用直連法、夾鉗法探測，從而只能使用感應(yīng)法探測。根據(jù)探測儀收發(fā)線圈的設(shè)置，結(jié)合管線密集的情況，可以采取以下感應(yīng)法對目標管線探測，從而得到目標管線的走向、埋深甚至是連接關(guān)系[2]。

(1)水平壓線法

根據(jù)發(fā)射機線圈垂直偶極子施加信號時，不激發(fā)其正下發(fā)管線而激發(fā)鄰近管線的特性，將發(fā)射機平臥，放在鄰近干擾管線的正上方，從而壓制干擾管線的信號，突出目標管線的信號，此方法可以有效地對平行密集管線進行探測，工作示意圖如圖1所示。

圖1 水平壓線法

(2)垂直壓線法

根據(jù)發(fā)射機線圈水平偶極子施加信號時，線圈正下方管線耦合情況最好的特性，將發(fā)射機直立放在目標管線的正上方，從而壓制鄰近干擾管線的信號，突出目標管線的信號，此方法適合對埋深淺、間距大的平行管線進行探測，工作示意圖如圖2所示。

圖2 垂直壓線法

(3)傾斜壓線法

當密集重疊的管線間距較小時，水平壓線和垂直壓線法的探測效果都不好，也很難探測到目標管線的信號，可以采用傾斜壓線法進行探測。該方法是根據(jù)目標管線與干擾管線的空間位置分布，結(jié)合現(xiàn)場情況，選擇發(fā)射機合適的擺放位置和傾斜角度，通過調(diào)整發(fā)射機的擺放姿態(tài)，使發(fā)射線圈軸向面對干擾管線的前提下，盡可能地將發(fā)射機放置于目標管線上方，確保發(fā)射機有效地激發(fā)目標管線，壓制干擾管線，從而對目標管線進行有效地探測，工作示意圖如圖3所示。

圖3 傾斜壓線法

3.3 非金屬及深埋管線探測的方法

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵、高架橋、地下建筑的新興建設(shè)，以及頂管施工技術(shù)的發(fā)展，深埋管線日益增多，對于深埋管線的界定，通常把管頂深度大于 3.0 m的管線定義為深埋管線。同時因為非金屬管材管道具有無毒、無銹、使用壽命長的性能，越來越多的專業(yè)管線選擇鋪設(shè)非金屬管道。所以，在進行地下管線探測工作中，經(jīng)常會遇到大埋深管線或者非金屬管線，由于此類管線電流傳輸衰減快或者不具備導(dǎo)電的條件，使用電磁感應(yīng)法不能對此類管線進行探測，如果需要探測此類管線，探地雷達法是目前主要使用的方法。

(1)探地雷達探測原理

探地雷達是近幾年迅速發(fā)展起來的高分辨、高效率的無損探測技術(shù)，是目前解決非金屬管線探測最為活躍的技術(shù)方法之一。探地雷達一般由便攜式計算機、主機、天線、電源及其他附件組成，采用高頻廣譜的電磁探測技術(shù)，通過向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，當遇到存在電性差異的地下目標時，如空洞、地下管線時，電磁波便發(fā)生反射，地面天線對反射回的電磁波進行信號處理和分析，根據(jù)信號的波形、幅度、強度等參數(shù)推斷地下目標的位置、結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)，從而達到對地下管線的探測。因為不同的介質(zhì)內(nèi)有不同的電磁波傳播特點，電磁波會出現(xiàn)反射、透射或折射的現(xiàn)象，探地雷達正是利用這樣的電磁波特點進行工作的[3]，工作示意圖如圖4所示。

圖4 探地雷達工作示意圖

(2)天線頻率的選擇

通常，把探測時所采用的天線中心頻率定義為探測頻率，而實際的工作頻率范圍是以探測頻率為中心的頻帶，探測頻帶主要影響探測的深度和分辨率。當探地雷達工作在介電極限條件時，高頻電磁波的衰減幾乎不受探測頻率的影響，比如，電磁波在空氣中傳播，由于不存在傳導(dǎo)電流，電磁波不發(fā)生衰減。但實際上，由于大地電阻率一般都比較低，高頻電磁波在傳播過程中感應(yīng)出傳導(dǎo)電流而發(fā)生振幅衰減，其衰減的程度隨電磁波頻率的增加而增加[4]。

探地雷達的發(fā)射頻率從十幾兆到數(shù)千兆，雷達天線的頻率和天線發(fā)射的子波波長直接相關(guān)，探地雷達天線頻率越高的其電磁波波長越小，探測目標管線時深度就越淺，但分辨率就越高，適合對小規(guī)格管線進行探測。反之，頻率越低的天線其電磁波波長越長，其探測深度越大，分辨率就越弱，適合對大管徑、大埋深的管線進行探測[1]。通過在北京地區(qū)的一些探測案例，來分析探地雷達不同天線的有效探深和最小分辨率，如表2所示。

不同天線的有效探深和最小分辨率 表2

根據(jù)表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一般情況下，探地雷達探測的有效深度為電磁波波長的5倍，探測的有效最小分辨率為探測深度的1/20。但在實際工作中，考慮到地下土體密度和含水量分布不均勻等因素，導(dǎo)致最小分辨率下降，工作中宜取最小分辨率為探測深度的1/10。

因此，在選擇探地雷達進行探測時要根據(jù)實際情況結(jié)合目標管線的探測深度和規(guī)模大小，綜合考慮分辨率和探測指標，以選擇頻率合適的天線。一般來說在滿足探深而且場地條件允許時，應(yīng)該盡量選擇使用頻率高的天線，常用雷達天線頻率及探測深度如表3所示。

常用雷達天線頻率參數(shù) 表3

(3)項目案例

北京市房山區(qū)引磁入房輸水工程是北京市重點工程，輸水管線建設(shè)于1996年，起于河北鎮(zhèn)磁家務(wù)村，止于房山區(qū)良鄉(xiāng)城區(qū)，是房山區(qū)重要的水資源管線，擔負著房山區(qū)供水補給功能。管線全長 27 km，全線采取UPVC管材，管徑為 DN400 mm～DN700 mm，平均覆土深度為 1.50 m～5.00 m，管線最大高差 47.00 m。管線包括輸水管線、水廠及配水網(wǎng)三部分，輸水管線沿途地形復(fù)雜，鋪設(shè)凹凸起伏，共穿越13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，15個行政村，8次穿越河流，7次穿越公路，2次穿越鐵路，并數(shù)次穿越其他管線。

此輸水管線由于建設(shè)年代久，缺少管線基礎(chǔ)資料，為了能夠查清該輸水管線正確的位置、埋深及連接關(guān)系，北京同創(chuàng)達勘測有限公司承擔了該輸水管線的探測任務(wù)。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)管線沿線檢修井等明顯點少，沿途多為農(nóng)田和村莊，沿途地形起伏變化大，而且該輸水管線材質(zhì)為UPVC，使用常規(guī)的金屬管線探測儀無法對其進行探測，為了能夠準確地探測出管線的位置及埋深，北京同創(chuàng)達勘測有限公司選用了加拿大Pulse EKKO PRO探地雷達進行探測。

現(xiàn)場探測前，首先對探測場地內(nèi)的電磁波速度進行現(xiàn)場標定，選擇距離探測場地最近的管線明顯點，用探地雷達實測雷達波反射傳播時間t，并量取管線頂部實際埋深h，計算此處地下電磁波速度v=2*h/t作為本次探地雷達的波速[6]。

根據(jù)現(xiàn)場探測環(huán)境、目標管線規(guī)格及概略深度，為了保證探測深度、位置精度能夠滿足探測精度要求，選擇 100 MHz和 200 MHz兩種頻率的天線進行探測，探測時采集間距設(shè)為 0.1 m。根據(jù)現(xiàn)場地形情況，共布設(shè)測線50條，測線間距約為 15.0 m，測線長度平均為 10.0 m～15.0 m，探測示意圖如圖5所示。

圖5 探地雷達測線示意圖

(4)探測結(jié)果

根據(jù)探地雷達波的探測原理，當兩個介質(zhì)的介電常數(shù)相差較大時，雷達波會發(fā)生明顯的反射、繞射等現(xiàn)象。通過現(xiàn)場探測，發(fā)現(xiàn)當探地雷達探測至目標管線正上方時，電磁波在介質(zhì)中的走向有明顯的變化，雷達數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，可以清晰地看到目標管線的雷達成像圖，同一探測位置兩組不同頻率天線的雷達波圖形如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7雷達波圖形成像中，可以清晰地看到目標管線與周圍介質(zhì)之間存在足夠的電性差異，對兩種天線探測的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，不同天線探測目標的位置一致，探測深度差異不大，探測結(jié)果有效。

圖6 100 MHz天線雷達波形圖

圖7 200 MHz天線雷達波形圖

3.4 非開挖管線探測的方法

非開挖技術(shù)通常是指在地表無須挖槽或以最小開挖量的條件下進行各種地下管線的鋪設(shè)、更換或修復(fù)的一種施工新技術(shù)。由于非開挖管線施工工藝絕大部分工作面在地下，與地面連接少，幾乎對交通沒有影響，對環(huán)境、噪聲的影響也都比較少，被廣泛地應(yīng)用在地下管線施工建設(shè)中[7]。

根據(jù)非開挖技術(shù)的施工特點，非開挖技術(shù)主要應(yīng)用于新建管線穿越道路、鐵路、河流以及地表受保護的區(qū)域，以減少因地下管線施工對地表建構(gòu)筑物造成的影響及損壞。非開挖施工的管線一般為非金屬管線，且具有埋設(shè)較深、管線水平走向及埋深變化靈活等特點，常規(guī)的探測方法無法對其進行準確地定位、定深。因此，非開挖施工管線的探測目前已成為探測的難點，對于此類管線一般采用探地雷達法、陀螺儀定位法、導(dǎo)向儀探測法、穿線法(示蹤探測法)等補充探測手段。根據(jù)各種探測方法所需的儀器設(shè)備成本及工作效率，通過北京同創(chuàng)達勘測有限公司實施的項目案例重點分析導(dǎo)向儀探測法、穿線法在非開挖施工管線探測中的應(yīng)用。

(1)項目案例

在浦東新區(qū)自貿(mào)區(qū)區(qū)域地下管線普查項目中，大部分的電力、通信管線采用了非開挖施工的方式鋪設(shè)，且已鋪設(shè)的管線中大部分為空管未進行電纜穿線，給管線的探測工作增加了很大的難度。

探測管線位于浦東新區(qū)江東路東側(cè)一條通信管線，通信管線規(guī)格為 180 mm*120 mm、材質(zhì)為PE、孔數(shù)為24孔、人孔內(nèi)埋深 1.12 m、去向不明。由于通信管線單孔管徑較小，平均為 30 mm～50 mm，陀螺儀無法將主機拖入管道內(nèi)，因此，對于此類管線無法采用陀螺儀進行定位測量。結(jié)合現(xiàn)場探測環(huán)境及探測精度，現(xiàn)場采用了導(dǎo)向儀探測法、穿線法兩種探測方法，對通信管線進行了探測，并對探測結(jié)果進行比對。

(2)導(dǎo)向儀探測

現(xiàn)場采用導(dǎo)向儀進行探測，探測示意圖如圖8所示，包含接收機與傳感器，并配備穿管設(shè)備，導(dǎo)向儀的傳感器就是一個小型發(fā)射源，利用穿管設(shè)備將傳感器送至管道內(nèi)，再用接收器接收跟蹤傳感器在地面的位置及深度，從而查明管道的走向和埋深。采用導(dǎo)向儀對管線進行探測前，需要對導(dǎo)向儀進行校準，一般情況下，平均每 5 m進行一次定位、定深，以反映管線的位置及深度，導(dǎo)向儀探測數(shù)據(jù)如表4所示。

圖8 導(dǎo)向儀探測示意圖

導(dǎo)向儀探測數(shù)據(jù) 表4

(3)穿線法(示蹤探測法)

現(xiàn)場已采用導(dǎo)向儀對管線進行了探測，為了對探測數(shù)據(jù)進行核查，同時為了驗證穿線法探測的數(shù)據(jù)精度，對同一通信管線采用穿線法進行了二次探測，探測位置與導(dǎo)向儀探測為同一管線點。

一般的示蹤探測法需要地下管線探測儀配備示蹤儀，并配備穿管器，將能發(fā)射電磁信號的探棒(示蹤探頭)送入管道內(nèi)[8]，使用探測儀接收機在地面接收探棒信號，以完成管線的定位、定深。

通過導(dǎo)向儀的探測數(shù)據(jù)分析，目標管線埋深差異很大，已經(jīng)超出了探棒的探測范圍，使用探棒無法完成對管線的探測。因此，針對此類管線，我們在管線探測工作中，研究了一種利用示蹤線進行管線探測的方法(穿線法)。

穿線法探測時，需要使用地下管線探測儀、穿管器以及導(dǎo)電性好的電線，將探測儀發(fā)射機工作模式調(diào)整為直連法，將發(fā)射機產(chǎn)生的交變電流，一個輸出端與電線一端連接，另一端與接地電極連接。通過穿管器將導(dǎo)電電線送入管道內(nèi)，使電線另一端穿過管道，從管道另一端露出，現(xiàn)場有條件時，可將電線另一端接地，穿線法探測數(shù)據(jù)如表5所示。

穿線法探測數(shù)據(jù) 表5

(4)兩種探測方法結(jié)果對比

現(xiàn)場采用了兩種探測方法對目標管線進行了探測，兩種探測方法均能有效地對目標管線進行定位、定深，經(jīng)過現(xiàn)場量距記錄，參照《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，隱蔽管線點的平面位置探查中誤差和埋深探查中誤差分別不應(yīng)大于 0.05 h和 0.075 h，其中h為管線中心埋深，單位為毫米，當h<1 000 mm時以 1 000 mm代入計算，且以2倍中誤差作為極限誤差，兩種探測方法數(shù)據(jù)差值如表6所示，測深圖如圖9所示。

兩種探方法數(shù)據(jù)差值表 表6

圖9 兩種探測方法測深圖

通過計算，發(fā)現(xiàn)采用穿線法探測的深度均比導(dǎo)向儀探測的深，而且深度差值與管線深度沒有關(guān)系，我們可以把這種差值認為是穿線法測深的誤差。經(jīng)過對比，兩種方法對管線隱蔽點的定位、定深誤差均小于技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的誤差，探測精度滿足技術(shù)規(guī)程要求。

4 結(jié) 語

本文通過對地下管線探測工作中的難點進行了分析和總結(jié)，雖然目前城市地下管線分布復(fù)雜，管線的施工工藝差異很大，大管徑、非金屬及深埋管線日益增多，要探明管線的走向、埋深、連接關(guān)系已成為管線探測工作中的難點。但是，實際工作中可以針對不同的現(xiàn)場，借助不同探測設(shè)備的優(yōu)點，采用多種探測方法進行交叉探測，同時認真分析查閱相關(guān)資料，能夠更好地提高探測效率和數(shù)據(jù)精度。