城市地下管線探測方法的應用研究

宋 健

（中煤航測遙感集團有限公司新疆分公司，新疆烏魯木齊 830004）

1 地下管線探查方法的分類

在實際的管線探查作業中，根據探測對象的材料及其所處深度和地質條件的不同，可選用各自適用的勘探方法。目前，主要有兩種方法探查地下管線，一種是測井與鉆探或鉆探相結合；另一種是使用地下管道探測器[1]。本文主要論述物探方法，大致可分為電探測法和磁探測法。

1.1 電探測法

電探測法是一種地球物理探測方法，也被稱為電法探測[2]，可分為直流電探測和交流電探測。

（1）直流電探測法。

該方法手動利用兩個供電電極提供直流電，電流由正極提供，并返回負極，在地下形成電流密度分布空間。有金屬管道時，由于金屬線的良好導電性，對電流具有吸引力，電流密度的分布異常；塑料管和水泥的電導率非常差，電流對電流具有排斥效果，有塑料管和水泥在地下時，電流密度的分布也會異常。通過布置在地面上的兩個測量電極可以觀察到這種異常，可以找到金屬管道或非金屬管道及其各自位置的存在。使用直流電探測法的前提是金屬管道或非金屬管道周圍的土壤層導電率存在差異。

（2）交流電探測法。

交變電磁場在具有導電性、磁性或介電性的物體上產生感應或輻射，利用這一特性，通過觀察感應物體或輻射物體產生二次電磁場，常用的交流電探測法主要有電磁法、電磁波法（探地雷達法）。

1.2 磁探測法

在地球磁場的作用下，鐵管容易磁化，磁化管的磁性強度與管道的鐵磁材料有關，鐵管磁性強，有色金屬管無磁性。與磁性管類似，磁化鐵管的磁化率較強，自身存在磁場，磁場與周圍材料的磁性差別非常明顯，可以探測鐵管并計算其埋深。

2 地下管線探查技術的方法

地下線路勘探的主要目的是對地下線路進行現場勘探和勘察。管道工作的關鍵是確定管道的位置和深度[3]，地下管線勘探階段的核心問題是能否合理選擇滿足勘探精度要求的定位和定深的技術。

2.1 頻率域電磁法

頻率域電磁方法利用發射器將連續正弦波電磁場發射到地球或管道，工作頻率通常低于106 Hz，通過直接或電感耦合充電的地下管道。接收器檢測由流過管道的電流（也稱為渦流）產生的磁場，通過觀察磁場的變化定律確定管道的位置，管道檢測的電磁方法可以分為主動源和被動源。發射器選擇信號頻率后，通過直接（或電感）耦合方法將活動源應用于管道，被動源使用超長通信站發射的電磁波作為場源，或使用電力電纜本身的50 Hz頻率執行檢測工作。

根據電磁學的知識，磁場在承載無限長電流的導體周圍的空間中，可以檢測給定空間內的磁場。地下管道能夠承載電流并將其理想化為無限載流導體時，可以間接測量地下管道的空間狀態[4]。在勘探過程中，發射器在金屬管道或電纜上添加一個備用的主場源，被激發產生感應電流，周圍產生一個次級磁場。由地面接收裝置（接收器）測量二次磁場及其空間分布，根據分布特征確定地下管道水平位置和深度。

電磁法工作原理如圖1所示。

圖1 電磁法工作原理

2.2 電磁波法

電磁波法是一種物探方法，又稱探地雷達法[5]（GPR），利用超高頻電磁波探查地下介質分布，可以探測地下金屬和非金屬目標。探地雷達（GPR）主要利用介質間的介電性、導電性和導磁性的差異進行探測，常用于電磁感應管道儀器難以探測的非金屬管道探查工作中，如地下人防隧道、排水管道等。現階段實際運用的地質雷達大多使用脈沖調幅電磁波，發射、接收裝置采用半波偶極天線[6]。

3 試驗

3.1 試驗背景

近年來，烏魯木齊市相關部門逐漸認識到地下管線的重要作用與地位。2003年，烏魯木齊市首次開始地下管線普查工作。該項目投資3 000萬元，對城市所屬主、次干道，以及寬度在4 m以上的巷道的供水、排水、燃氣、熱力、供電、通信、消防、工業管線8大類、30多種地下管線進行了探測。

城市管線普查是提升城市地下空間管理和城市規劃的關鍵基礎性工作。為全面系統地做好烏魯木齊市地下管線檢測工作，取得管線實況，統一城市管線檢測技術要求和基礎資料編制，開展烏魯木齊市地下管線檢測工程。

3.2 作業流程

地下管線探測作業流程如圖2所示。

圖2 地下管線探測作業流程

地下管線探測作業前，為了更好地掌握作業中地下管線的分布情況，方便地下管線的探測，獲取作業區現有的地下管線資料和測量資料，數據采集主要由項目負責人、業主及相關管線權屬單位完成。現有地下管線資料及相關測繪資料的收集主要包括現有地下管線圖、管道設計圖、施工圖、竣工圖及技術規范、相應比例尺的地形圖、工作區域及附近測量控制點的坐標和高程。

開始探測作業前，應對作業區域內進行現場踏勘，了解作業區域內的各種環境情況和自然條件，檢查、分析已收集資料的可利用程度和現場資料的保存情況，以便指導地下管線探測作業，合理安排工程進度，制定切合實際的施工設計方案。

踏勘的主要內容包括檢查和校對收集的數據，評估數據的可靠性和可用性；檢查作業區的地面物體、地貌、交通及地下管線暴露情況、地球物理條件及其他可能干擾地下管線探測作業的因素；檢查作業區測量控制點的位置和保存情況，地形圖與現場對比是否真實；收集作業區內醫院的分布地址和行車路線，便于傷亡人員的應急救援。

進行地下管線的探測、控制測量以及管線點的測量，控制測量時，應根據已有的測繪資料進行分析和方案設計。測區內有業主提供的地形圖，但地形變化較大，不能完全滿足作業要求。需要對地形圖進行大量的修測工作，測區內有烏魯木齊城市測繪院提供的C級GPS點和四等水準點，可作為加密控制測量的起點。測區內還有一個次級導線點和E級GPS點，可作為三期測量圖根導線的起點，滿足管道測量的需要。在控制點密度不足的地區，可以選擇城市四類GPS點加密，按照逐級控制的原則，在四類GPS點的基礎上，對市Ⅰ級、Ⅱ級導線點進行測量。

地下管線點的測量是在勘探作業完成后提供勘探示意圖，以物探點數量、管道方向、位置、連接關系等為基礎進行管道測量。

采用全站儀導線串測量法或極坐標法對地下管線點平面位置進行了綜合測量。采用導線串測量方法時，其精度和技術要求應符合國家標準，執行準測量規范中導線的精度要求；采用極坐標法時，測距邊不大于150 m，定向邊為長邊，高程采用間接水準測量。在測量過程中，應收集地下管線點的空間數據采集和編碼，所有管線點采用全站儀直接測量，直接記錄。

3.3 數據處理

內業數據處理一般采用專業的數據處理軟件進行管線數據的處理，在烏魯木齊市地下管線探測工程中使用《煤航管網數據處理系統》進行數據處理。根據GIS的現行體系和方法完成數據庫的建立相關工作，對空間數據進行實時有效管理。為了保證入庫后的數據完整、準確，需要根據系統規范將原始測量數據進行轉換，為圖形要素添加要素標識。數據建庫的目標就是按照GIS規范將原始數據進行編輯、處理、轉換等處理工作，使得最終數據庫成果能夠滿足GIS空間數據的管理、查詢、應用等功能。

數據處理界面如圖3所示。

圖3 城市地下管線探測管線數據處理界面

軟件的基本模塊包括管道輸入、數據錯誤檢查、邏輯處理、圖形工具和結果輸出等。

工作流程如圖4所示。

圖4 城市地下管線探測管線數據處理工作流程

錄入外業數據，準確性將直接決定工程成果的最終質量，核對并完成外業數據錄入后，外業探測手簿、外業記錄及工作日志也需要妥善保存。

數據錄入人員在用專用軟件錄入數據，建立管線資料數據庫前，應核對每天探測區域內的探測數據，無誤后再進行錄入。數據錄入前，程序管理員先按照相關規范要求對各管線屬性數據進行相應代碼鏈接字段的匹配設置，以便在數據錄入工作中避免煩瑣的文字輸入，只需要選擇相應的代碼或數字就能直接輸入相應的屬性數據，提高錄入效率及精度。

錄入界面如圖5所示。

圖5 地下管線探測管線數據錄入界面

數據處理的最后步驟是根據管線資料數據庫，使用專用成圖軟件生成管線圖草圖。

管線繪制界面如圖6所示。

圖6 城市地下管線探測專業管線繪制界面

完成草圖繪制后，相關作業人員需要再次對管線在地下空間的分布情況和相互關系進行核實檢查，針對存在問題或疑問的部分，到探測區域進行確認、修正，更新管線數據庫，確定管線草圖準確無誤后生成管線圖。根據相關專業的要求，應當在每個專業的管道圖中注明管道所用材料、管道直徑或截面尺寸，各類管道的標記顏色應與綜合圖中的標記顏色一致，內容、格式按工程和國標的相關規定執行。

3.4 小結

本文主要對地下管線檢測方法在工程中的應用進行了分析和總結，討論了電磁法中的夾鉗法、感應法、直接法、追蹤法以及雷達法和機械挖掘法在實際檢測中的效果。

（1）探測目標如果是未有出露點的金屬管線，可考慮采用電磁感應法。根據目標管線周圍其他管線的敷設情況，改變信號發射源的施加位置，在一定程度上能夠提高電磁感應法的探測效果和精度。

（2）探測目標如果是線纜類或管道類，且其管徑不大于使用儀器標配夾鉗的尺寸范圍，可通過采用夾鉗法探測目標管線，可以精確探測目標管線。本文研究的方法中，夾鉗法對目標管線定位、定深精確度最高，抗干擾程度也最大[7]。

（3）如果目標管線的周圍接地條件良好，且為有出露的大管徑金屬管線，可考慮采用直接法進行管線探測，可獲得較好的探測效果。

（4）使用常規探測方法無法獲得目標管線探測數據的情況下，如果目標管線的情況符合示蹤法作業條件要求，可以采用示蹤法作業解決此類探測難題并獲得相關目標管線精確數據。

（5）本文研究的探測方法中，雷達法是解決探測管線疑難問題的主要方法，但受地電條件的限制，獲得的數據一般是經驗和試驗的綜合值。如烏魯木齊市地下管線探測項目中運用雷達法探測剖面22條，目標管線有明顯異常的剖面9條，有效作業率為41%，還有59%的探測疑難問題需要采用其他作業方式和手段進行處理。

4 結語

地下管線的探測工作是一個綜合性的系統工程，涉及地理信息、測繪工程等多專業多學科。本文全面探討了地下管道檢測方法的分類及其在城市地下管道檢測中的重要性和作用，結合烏魯木齊地下管道檢測項目作為實例，著重討論分析電磁法和雷達法在實際工作中的應用。經研究發現，地下管線探測方法發展至今，具有了高精度、高效率、多樣性、靈活性等特性，但存在技術瓶頸，如探測非金屬管線、超深地下管線等，目前的探測方法中還無法有效處理此類管線的非開挖探測技術需求，此類技術難題的解決還需要進一步分析、探討。在未來的城市建設、規劃與管理中，對管線數據精度的需求會越來越高，管線探測的方法將直接決定管線數據的精度，進行城市地下管線探測方法的研究十分必要。