綜合物探技術在非金屬管線精確定位中的應用研究

徐長虹，邵月中

(寧波市測繪和遙感技術研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

近年來，隨著城市快速發展，城市道路地下管網大量建設，由于PE、PVC等非金屬管材具有耐腐蝕、抗老化、便于施工、成本低等優點，逐步由過去的大量使用金屬材質向非金屬材質過渡[1]，特別是在供水、燃氣、通信等管線中應用較多。目前對于金屬管線的探測技術相對成熟，但由于非金屬管線不具有導電性和導磁性，常規地下管線探測方法對于非金屬管線探測較為困難，并受場地條件限制，容易受其他金屬管線干擾。目前迫切需要有效、抗干擾的技術手段對非金屬管線進行探測。

通信類非金屬管線中淺埋的一般采用電磁感應法探測，非開挖管線一般采用示蹤法、陀螺儀探測[2～4]。供水、燃氣等非金屬管線較難探測，有些使用探地雷達法[5]、地震波法[6]、鉆孔探摸[7]等技術手段，其中鉆孔探摸實施難度較大，對管線容易造成損壞，并對場地內附近其他管線可能造成影響，如果在道路上則更難實施。

在工程實施前，為保障城市安全和人民生活所需，有必要對非金屬管線進行探測并精確定位。本文介紹了探地雷達、地震映像和高密度電法對非金屬管線進行精確定位的原理與實例。

2 方法原理

2.1 探地雷達法

當探地雷達儀通過發射天線向地下發射的高頻電磁波在地下傳播過程中遇到這些波阻抗反射界面時即形成電磁波反射，當反射電磁波從地下反射上來時即被地面的雷達接收天線接收，并被雷達數據采集系統記錄下來形成探地雷達影像剖面；然后通過對采集的探地雷達信號進行數據處理，提取有效信號，最后進行綜合分析和地質工程解釋，從而識別地下管線。

該方法頻帶寬，用于目標探測時信息量豐富，對正常交通影響小，對外界的抗干擾能力強，信息處理方法比較簡單，其最大的優點是可以快速獲得連續的地下介質信息剖面，據此可以研究較復雜的地下目標體(團狀、點狀或線狀目標體)的空間特征，因此是管線探測的重要手段和方法。

圖1 雷達理示意圖

雷達接收天線能接收由地下介電異常物體反射回來的電磁波，在管道前、上、后都能接收到反射回來的電磁波，并在雷達圖像反映，再通過軟件分析處理，確定其在地下的埋設部位。

2.2 地震映像法

地震映像法勘探工作原理是在地表用鐵錘敲擊鐵板，以共偏移距用單道或多道檢波器接收來自地下地層的反射、繞射、散射等多波信號，來研究地下地層情況。當震源激發一彈性波場，在一定的頻帶范圍內子波向下傳播，當遇到波阻抗界面(兩彈性力學性質不同介質的分界面)，就會產生波的反射、繞射、散射等現象。一般地下地層的分界面會產生反射波，障礙物等復雜介質產生繞射波、散射波、轉換波；地層突變點產生繞射波。

現場探測時，在最佳窗口內選擇一個公共偏移距，采用單道小步長，保持炮點和接收點距離不變，同步移動震源和接收傳感器。每激發一次接收一道波形，最后得到一張多道記錄，各道具有相同的偏移距。將野外測試所獲得的地震波記錄進行回放、編輯整理；通過濾波、增益等處理以提高信噪比；然后對有效波進行研究分析，判斷其性質及深度等，最后，配合測線，確定障礙物等異常位置。其探查原理如圖2所示。

圖2 地震映像法探查原理示意圖

2.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法是集電測深和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法，它具有一次布極即可進行多種裝置數據采集以及通過求取比值參數而能突出異常信息的地球物理方法，具有信息量大、觀察精度高、速度快以及探測深度靈活等特點。具體來說，高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現對數據的快速和自動采集。當測量結果送入微機后，還可對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種物理解釋的結果。

圖3 溫納對稱四極法

其中地下測點分布如圖4所示。

圖4 高密度電法原理圖

3 應用實例

3.1 某工程PE燃氣管道探測

某工程施工范圍內有直埋的直徑600 mm的PE燃氣管，由于PE管不具有導電性和導磁性，常用的電磁感應法無法探測，但與周邊土層有介電常數差異和波阻抗差異，故考慮采用探地雷達法和地震映像法進行探測。

通過現場試驗，采用探地雷達200 MHz天線進行探測，該天線分辨率較高，有效探測深度可滿足探測要求。如圖5所示，探地雷達數據剖面上明顯的雙曲線反應為該PE管道反應，管頂埋深約 1.3 m，管道中心位置位于測線起點約 13 m左右。

圖5 600 mm PE燃氣管探地雷達測線數據剖面

地震映像數據剖面如圖6所示，偏移距 0.2 m，測線 12 m～14 m地震信號紊亂，地層同相軸缺失，有繞射波，確定為管道反應，管道中心位置位于測線 13 m左右。地震映像管道探測結果與探地雷達法探測結果一致，很好地確定了該PE燃氣管的位置。

圖6 600 mm PE燃氣管地震映像測線數據剖面

3.2 某工程PE供水管道探測

某工程施工范圍內存在直徑500 mm的PE供水管道，為施工時避開該管道，需要對其平面位置進行精確定位。考慮到PE供水管相對于周邊土層，表現為低電阻率特征，故采用高密度電法對供水管進行探測。

高密度電法采用溫納裝置形式，共布設30個電極，電極距 1 m。如圖7所示，由電法數據剖面可知，在水平位置 12 m～15 m區域有明顯的低阻異常，深度約為 1.2 m～2.5 m。由于PE供水管道內含水，表現為低阻異常，在電阻率斷面上有非常明顯的反應。管道走向與測線方向垂直，在電法剖面上顯示為一個近似圓形區域。管頂埋深約 1.2 m，管中心位置距測線起點 14 m左右。

圖7 500 mm PE供水管高密度電法測線數據剖面

3.3 某軌道交通工程通信管線排管寬度探測

某軌道交通新建車站出入口，穿越道路區域需要打圍護樁，樁位需要避開現有管線。該范圍內的通信、電力、供水、燃氣等直埋和非開挖管線已采用電磁感應法和示蹤法進行了探測，但有1路24孔通信管線埋深在 1.0 m～1.5 m，對圍護樁施工影響較大，搬遷難度大，需要對該通信管線排管寬度精確定位。由于該管線位于道路中心，車流大，封閉車道較困難，采用地震、電法、鉆探等效率較低的技術手段較難實施，且由于僅有1孔穿線，利用電磁感應法探測信號較弱。

根據現場條件，采用效率較高、對道路行駛影響較小的探地雷達法進行探測，采用 200 MHz天線，探測數據如圖8所示。雷達數據剖面上 3.0 m～4.0 m區域有多次反射，為通信排管反應，排管寬度約 1 m左右。

圖8 通信排管探地雷達法測線數據剖面

4 結 論

城市道路地下管線非常密集，非金屬管線大量應用，在工程施工過程中，非金屬管線的精確探測對于保障管線安全越發重要。非金屬管線探測難度較大，采用常規的探測技術手段，難以取得較好的效果。在很多工程中，需要對非金屬管線進行精確定位，以進行管線安全保障和管線遷改。本文介紹的地震映像法可對管徑較大的非金屬管線進行精確探測；探地雷達法可對淺埋非金屬管線的管頂埋深和位置進行精確探測；高密度電阻率法在具備一定接地條件時，可對管線埋深和位置進行精確探測。實際探測工作中，可通過現場方法試驗，選擇上述方法中的一種或幾種方法進行綜合探測，很好解決非金屬管線的精細探測難題。