數字化建設中城市中心老舊小區地下管線探測研究

張懷生

摘要：老舊小區內地下管網分布復雜、材質類型多且記錄不完整，如何高效探測老舊小區地下管線是一個值得研究的問題。可以采用地質雷達、管線探測儀、質子磁力儀和慣性陀螺定位儀4種地球物理勘探儀器進行探測。受地下水位影響，地質雷達探測精度、深度比理論值降低50%以上。質子磁力儀法實施容易、探測效率高、資料解釋清晰、探測成本低，但常被作業人員忽略，應該在城市中心老舊小區地下管線探測中大力推廣。

關鍵詞：地下管線；地質雷達；質子磁力儀；老舊小區

Research on Underground Pipeline Detection of Old Residential Area in Urban Center

Zhang-Huaisheng

Jiangsu Ketai Geotechnical Engineering Co.， Ltd. Taizhou 225300

Abstract： Because of complex distribution， many kinds of material and not complete record of underground pipeline network in old residential area， how to detect efficiently is worth researching. GPR， pipeline detector， proton magnetometer and inertial gyroscope are common instruments of detection. Due to influence of groundwater level， detection accuracy and depth of GPR are reduced by more than 50% compared with theoretical value. Proton magnetometer method is easy to implement， high detection efficiency， clear data interpretation and low detection cost， but it is often ignored by operators. Proton magnetometer method should be vigorously promoted with detection of underground pipeline in old residential area.

Key words： underground pipeline； GPR； proton magnetometer； old residential area

1.引言

數字城市是指利用三維信息平臺，將城市自然資源、社會資源、基礎設施、人文、經濟等有關的城市信息，以數字形式獲取并有機綜合在一起，從而為政府和社會各方面提供全面服務。數字城市實現對城市信息的綜合分析和有效利用，支撐城市的規劃、建設、運營、管理及應急，能有效提升政府管理和服務水平，提高城市管理效率，節約資源，促進城市可持續發展。數字城市建設過程中，地下管線種類、走向和分布是三維信息平臺搭建過程中的重要組成部分。

某市瀕臨長江[1]，隨著經濟水平的快速提高和人民對美好生活的向往，需要提升城市管理水平，因此，該市擬進行城市中心地區數字城市的建設試點，以便為將來全市開展智慧城市建設打下基礎。在該市城市中心地區地下管線種類、走向和分布的探測過程中遇到以下難點：城市中心地區建成時間20年以上的老舊小區眾多，由于權屬不清晰、超前規劃意識薄弱等歷史原因，老舊小區內地下管網分布復雜、材質類型多且記錄不完整，如何高效、精確完成城市中心老舊小區地下管線探測是一個值得深入研究的問題。如果解決得好，也能為全國類似城市中心老舊小區三維信息數字化建設中內容之一——管線探測提供借鑒。

2.老舊小區地下管線探測難點

（1）跨越多個地貌單元，如長江漫灘、沖溝、階地、崗地等，地下水位埋深淺，地下水位面一般在地面以下2m，局部為地面以下1m，探測方法的選擇必須考慮地下水對探測精度、深度的影響。（2）地下管線種類多、材質多。從種類上分，有電纜線、通訊光纜、天然氣管道、雨水管、污水管等；根據材質分為鑄鐵管、鋼管、混凝土管、鋼筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管、陶土管、陶瓷管、磚石溝等。（3）地下管線截面形狀多種，有方形、矩形、圓形。（4）截面圓形的地下管線直徑和埋深不一，直徑0.05m～1.5m，埋深0.2m～6m。（5）地下管線走向復雜，但沒有完整的記錄資料，增加了調查地下管線分布、走向的難度。（6）老舊小區建設時間較長，一般通視條件較差，內部道路均由所停車輛占滿，違章建筑眾多，增加了地下管線探測的作業環境難度。

3.老舊小區管線探測要點

3.1探測原則

（1）確保探測精度、深度的基礎上，盡可能降低探測成本。（2）地表出露的地下管線及其附屬設施，用目視法進行測量和記錄。（3）對隱蔽管線，以地表出露的地下管線點為基礎用追蹤法探測。（4）對局部埋深1m以內的管線，采用人工坑探的方法進行驗證。

3.2準備工作

在編寫地下管線探測實施方案前，編寫人員對工作區內的地下管線進行了資料收集、實地考察、走訪調查等準備工作，主要包括以下內容：

（1）核查搜集的資料，評價資料的可信度、可靠性和可利用程度。（2）核查工作區內測量控制點的位置及保存情況。（3）察看工作區內的地物、地貌、交通情況，地球物理條件及各種可能的干擾因素。（4）察看地下管線的分布出露情況。

3.3精度要求

（1）探測精度

隱蔽管線探查精度遵照表1要求。

（2）測量精度

地下管線點的測量精度：平面位置中誤差不得大于±5cm（相對于鄰近控制點），高程中誤差不得大于±3cm（相對于鄰近控制點）。

（3）編繪精度

地下管線圖測繪精度：地下管線與實測路邊線及相鄰管線的間距中誤差不得大于圖上±0.5mm。

3.4明顯管線探測

（1）窨井：在窨井（包括檢查井、閘門井、閥門井，儀表井、人孔和手孔等）上設置明顯管線點時，管線點的位置均設在井蓋的中心。當地下管線中心線的地面投影偏離管線點，其偏距大于0.2m時，以管線在地面的投影位置設置管線點，窨井作為專業管線附屬物處理。

（2）管線埋深：明顯管線點上實地量測地下管線的埋深，誤差不超過±5cm。埋深分為外頂埋深、內底埋深，按以下原則進行量測：給水、天然氣管線量測其外頂埋深；雨水、污水等排水管道量測其內底埋深；電力、電信等電纜采用直埋和管塊埋設時量測其外頂埋深，采用管溝埋設時量測其內底埋深。

（3）管溝測量：寬度大于和等于1.5m，以管塊和管溝（道）方式埋設的地下管線（包括電信、電力），實測溝道的邊線并以虛線表示。

（4）管道斷面：地下管道及埋設電纜的管溝量測其斷面尺寸。圓形斷面量測其內徑；矩形斷面量測其內壁的寬和高。埋設于地下管溝或管塊中的電力、電信電纜，查明其電纜的根數或管塊孔數。

（5）材質：查明地下管線的材質，如鑄鐵管、鋼管、混凝土管、鋼筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管、陶土管、陶瓷管、磚石溝等。

（6）特征：對電纜查明電流流向；對管道內含有介質的管線，如天然氣管道、雨水管、污水管，則查明介質的流向。

（7）附屬物：查明地下各種管線上的建（構）筑物和附屬設施，如閥門、消防栓、接線箱、變壓器等。

3.5隱蔽管線探測

（1）地質雷達法

對于場地平整諸如水泥路面、柏油路面和石質路面下的管線，采用地質雷達進行探測[2]，但由于瀕臨長江，地下水位面高，水對電磁波吸收強，所以用地質雷達探測管線前，通過模擬管線進行試驗，驗證用地質雷達探測管線的有效性、探測頻率和探測精度（表2）。由表2可知：①地質雷達法是探測隱蔽管線常用的方法，該方法能探測多種材質、多種截面形狀的地下管線；②探測頻率40MHz、100MHz、400MHz已能滿足不同直徑、深度的管線探測要求；③由于地下水位影響，無論垂直分辨率、水平分辨率，還是探測深度，皆要比設備提供的理論值降低50%以上，這一點在選擇探測頻率時要特別注意。實踐顯示，采用地質雷達，能探測到雨水管、污水管、鑄鐵管、鋼管、混凝土管、鋼筋混凝土管、塑料管、石棉水泥管、陶土管、陶瓷管、磚石溝等。

（2）管線探測儀法

由于常用的管線探測儀是針對理想條件（自由空間中的單條載流無限長導體）設計的，當探測對象是單條管線或雖有多條管線但間距較大時，觀測參數不論是磁場水平分量Hx，還是磁場水平分量垂直梯度ΔHx，它們的異常形態都較為規則，1條管線只對應1個單峰對稱的異常，此時探測精度較高。但實際對于電纜線、通訊光纜的探測中，往往遇到沿道路兩邊多條管線并行且間距較小，由于磁場的疊加，致使異常形態畸變，多條管線可能只對應1個單峰異常，峰值也可能偏離管線中心位置，造成探測誤差較大，甚至會帶來錯誤的結果。為了掌握復雜條件下的管線探測方法，提高探測精度，以已知不同埋深、不同直徑、不同材質、同種材質和不同材質管線上下及左右疊加為試驗模型，進行了激發法、壓線法、直接法、夾鉗法適用范圍和計算機反演解釋方法，從而解決了多條電纜線、通訊光纜并行且間距較小造成探測精度降低的難題[3-6]。

（3）質子磁力儀法

瀕臨江河邊、埋深大、出露不好、場地不平整，導致無法使用地質雷達、管線探測儀探測鑄鐵管、鋼管、鋼筋混凝土管。鑄鐵管、鋼管、鋼筋混凝土管中含有鐵質，而鐵質屬于鐵磁性物質，在地磁場中由于磁化作用而產生磁化場。鐵質的磁化場與地磁場的疊加，使鑄鐵管、鋼管、鋼筋混凝土管附近的磁場強度發生變化。用質子磁力儀沿垂直于預計鑄鐵管、鋼管、鋼筋混凝土管的剖面線進行磁場強度的測量，有鐵質的地方，曲線是變化的，而穿過鐵質后，磁場強度變成地磁場，磁場強度數值曲線變成一條直線[7]。

（4）慣性陀螺定位儀

鑒于對天然氣管線等的探測精度要求高，為了保證探測天然氣管線等的精度，采用了慣性陀螺定位儀進行探測。慣性陀螺定位技術是從國外引進的一種新型管線探測技術，該技術綜合運用了陀螺儀導航技術、重力場、計算機矢量計算等交叉學科原理，通過牽引拖曳慣性定位陀螺儀在管道內部運行，由測量主機自動記錄計算其運動軌跡，慣性陀螺定位技術有以下優點[8-10]：

①不同于傳統物探通過各種波、場進行間接測量，是一種直接測量方法，探測精度遠勝于傳統物探方法。

②不受地表環境限制，不受地質情況影響，不受電磁干擾，不論管線材質。探測精度主要與管線長度有關，不受其他因素影響。

③探測時，不受地表地形變化影響，無視河流、建筑等障礙影響，均可測量。

④精度高。對于非開挖管線，其精度提高了一個數量級。

⑤傳統方法探測，只是探測了非開挖管線上的一些點，不能全面反映管線形態，而慣性陀螺定位儀則進行連續測量，真實反映管線形態。

4. 結語

（1）對城市中心老舊小區隱蔽管線探測，可根據場地條件、探測精度要求、是否多條管線并行，分別采用地質雷達、管線探測儀、質子磁力儀和慣性陀螺定位儀4 種地球物理勘探儀器進行探測。

（2）如果場地面平整，地質雷達法是探測隱蔽管線常用的方法，為了節約成本，探測頻率40MHz、100MHz、400MHz已能滿足探測精度、深度要求，但受地下水位影響，探測精度、深度比設備提供的理論值降低50%以上。

（3）質子磁力儀法也叫磁法，適用于探測埋深大、出露不好、場地不平整的含鐵質地下管線，且實施容易、探測效率高、資料解釋簡單且易被理解、探測成本低，但常被作業人員忽略，應該在城市中心老舊小區地下管線探測中大力推廣。但需提醒的是，因為質子磁力儀法易受高壓電流的影響，探測前應在現場進行試驗，以驗證該方法的有效性。

（4）事實上，未來為了減少地下管線探測的投入，在新區規劃時，把各種功能的地下管線統一放入綜合管廊是一種科學的、行之有效的方法，也越來越引起人們的重視，應用也越來越多。

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