地下管線探測中關鍵參數獲取及評價

蔡偉濤

（甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741025）

隨著城市化進程進一步加快，及地下空間的快速開發利用，導致市政管線趨于密集化，在建筑施工中也常發生挖斷或破壞管線的嚴重事故[1-4]，加之由于管線的管理運營維護水平落后，導致管線腐蝕老化、破裂并發生滲漏，引起地下土質疏松，造成路面及建筑物不均勻沉降，最后使路面發生塌陷，形成地下空洞，甚至建筑物倒塌，嚴重影響人們的正常生活[5-9]。要解決這一問題，必須首先對管線精確定位和定深。探測管線的方法較多，主要有：電磁法、地震法、探地雷達法、聲學探測法及紅外法[10]，依據最新版管線探測規范CJJ61-2017《城市地下管線探測技術規程》，探查儀器在投入使用前應進行試驗以保證探測質量[11]，主要涉及幾個關鍵參數獲取及一致性評價。較多文獻討論了探測中質量評價方面的問題，如廖小軍[12]討論了隱蔽管線點檢查及質量評價方面的問題，對管線探測前準備工作討論較少或者不夠全面；如牛根良[13]討論了地下管線探測中儀器一致性檢驗和方法試驗。本文以雷迪RD8100為基礎，系統介紹了管線探測前的準備工作：金屬管線探測、關鍵參數獲取、評價獲取及一致性數據評價獲取。

1 地下金屬管線探測方法

1.1 直連法

直連法要求金屬管線在地表出露，或由于施工開孔而暴露出管線。其目的是通過觀察直聯管線一次場的變化來進行金屬管線探測。具體做法是發射機一端與出露管線相連，另一端接地。

1.2 感應法

用磁偶極源在地面上建立一個交變電磁場，地下金屬管線在一次場的作用下，便會產生感應電流，一次場產生的電流在管線中流動，產生二次場。在地面上探測二次場電磁是否異常，便可確定地下管線的空間分布。

1.3 夾鉗法

夾鉗法是利用夾鉗內的環形磁芯，發射機與夾鉗連通后就可以使磁環形成磁場，這個磁場就能有效地耦合到管線上，從而在管線上產生感應電流，達到探測地下管線的目的。在實際應用中，支流法、感應法、夾鉗法3 種方法的優缺點見表1。

表1 3 種方法的優缺點

2 關鍵參數及工區介紹

在新工區內進行地下管線探測，必須做好探測準備工作，主要有最小收發距、最佳收發距、最佳發射頻率、最佳發射功率、修正系數等參數的確定及參與工作儀器一致性評價。該工區內主要管線是金屬給水管及排水管，鋪設較規則，局部出露，地表為混凝土地面，地下回填土主要是粘土和碎石，磁性弱，回填土深度為1～2 m，與管線間存在明顯磁性差異，對開展工區關鍵參數獲取探測試驗較有利。

3 關鍵參數獲取及評價

3.1 最小收發距

主要分析一次場衰減規律，最小收發距是感應法確定最佳收發距的前提。首先在地下無干擾管線的情況下，固定發射機位置，然后讓發射機處于工作狀態，接收機沿發射機一定走向觀測發射機場源效應的范圍并記錄下距離及接收機上的讀數，然后改變發射機功率，確定不同發射功率的場源效應范圍和距離。在最小收發距測試中設置功率為50%、100%，在每次測試中增益不變，直到為零，結束本次操作，最小收發距測試結果見圖1。隨著接收機距離增大，兩圖一次場逐漸減弱，發射機功率對一次場衰減影響不大，當收發距為9 m 時，兩種功率的讀數均為零，因此該工區的最小收發距為9 m。

圖1 最小收發距一次場衰減曲線

3.2 最佳收發距

由最小收發距測試可知，該區最佳收發距應大于9 m，將發射機放置在無干擾的已知單根管線上，在接收機沿管線走向的方向上進行觀測，每隔5 m畫一條垂直于管線走向的直線， 每0.2 m 測一個值，讀取寬峰模式下的值，把接收機的增益調到90%以上并在測量中不再調增益，最后對比在管線走向延長線上的讀數。發射機功率為50%、100%，不同頻率測試結果見圖2。發射機低頻（4 kHz） 發射時，最佳收發距不好判斷；高頻發射時，當收發距大于20 m 時，高頻率的曲線尖而窄，可以認為本區感應法33 kHz、83 kHz 的最佳收發距為20 m。

圖2 最佳收發距

3.3 最佳發射頻率

固定最佳收發距及發射功率，接收機在最佳收發距的定位點上通過改變發射機不同頻率進行觀測，視接收機滿偏度及靈敏度來確定最佳發射頻率，工區內測試了感應法、直連法及夾鉗法的最佳發射頻率（見圖3）。

圖3 最佳發射頻率

由圖3 可知，感應法的最佳發射頻率為33 kHz、65 kHz、83 kHz，4 kHz、8 kHz，測量誤差較大；直連法的最佳發射頻率為4 kHz、8 kHz；夾鉗法的最佳頻率同直連法。

3.4 最佳發射功率

固定最佳收發距及發射頻率，接收機在最佳收發距的定位點上改變發射機不同功率視接收機讀數滿偏度及靈敏度來確定最合適的發射功率。

工區內測試了感應法、直連法及夾鉗法的最佳發射功率（見圖4），不同功率感應法探測均滿足限差要求，定深在7.7%以內，一般近距離探測時選小功率發射（因為小功率意味著小交變電流），可以減少干擾；不同功率直連法探測均滿足限差要求，定深在5.5%以內，一般近距離探測時選小功率發射，可以減少干擾，夾鉗法發射功率選擇同直連法。

圖4 最佳發射功率

3.5 修正系數

直讀的深度要經過校正才能達到較高的可靠性，在同一個點采用不同儀器直讀深度并求其均值，然后該點真值除以其均值即為修正系數，該區修正系數為1.096。直讀深度修正效果見圖5，修正值更接近真值。

圖5 直讀深度修正效果

3.6 一致性評價

對用到的3 臺儀器進行一致性評價，在考慮到修正系數的基礎上，對直讀值修正，利用直連法進行一致性評價，儀器一致性定位均方差[14]，表達式為

儀器一致性定深均方差[14]，表達式為

定位限差[11]，表達式為

定深限差[11]，表達式為

式中：n為試驗點數；m為儀器數量乘試驗點數；hi為第i個檢查點管線中心埋深；Δsi為第i個隱蔽管線點的平面位置偏差；Δsh為第i個隱蔽管線點的埋深偏差。

依據CJJ 61-2017《城市地下管線探測技術規程》3.0.8 條，3 臺儀器定位定深均方差（見表2），顯而易見均小于定位定深限差的1/3（具體由一致性評價公式計算），因此3 臺儀器一致性均為合格。

表2 儀器一致性評價表

4 結論

通過工區內地下管線探測前的試驗得出以下結論。

1） 管線探測前必須做好準備工作，依次為：最小收發距、最佳收發距、最佳發射頻率、最佳發射功率、修正系數等參數的確定及參與工作儀器一致性試驗。

2） 由于發射機一次場的干擾，在使用感應法探測時，最小收發距不能低于9 m，最佳收發距大于20 m，發射機頻率大于等于33 kHz 時，探測效果較好。

3） 在使用直連法、夾鉗法探測金屬管時，選發射頻率為4 kHz 或8 kHz 且低功率為佳，干擾少。

4） 利用直讀法定深時應結合真實值對其深度進行修正，對于復雜地區可有多個修正系數，分別計算各自修正值。