基于電磁靜力觸探法的深埋金屬管線探測探頭設計與應用

摘要： 設計一種基于電磁感應法的地下金屬管線探頭，其特點在于可以采用靜壓貫入的方式接近目標管線進行探測，在貫入的過程中可以實時讀取電磁場的強度和錐尖阻力，從而安全地獲取地下管線的空間位置信息，以防止對地下設施造成破壞。在設計中，探頭創新性地利用感應線圈磁芯傳遞錐尖阻力，并使用非金屬外殼防止信號屏蔽，擬通過濾波放大電路減少外界干擾。通過模型試驗和現場試驗，對探頭探測效果進行驗證，認為可以將管線埋深探測誤差控制在5 cm以內，探測精度遠高于現行規范要求。研究對深埋管線的高精度探測和地下管線保護具有積極意義。

關鍵詞： 管線探測; 電磁法; 靜力觸探; 深埋管線; 高精度定位

中圖分類號： P631.4 文獻標志碼：A 文章編號： 1000-0844（2024）06-1355-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221009002

Design and application of a probe for deep buried metal pipeline detection

based on electromagnetic method and cone penetration method

XU Tao^1，2， PENG Gongxun¹， WU Tao³， SHEN Xuzhang²， YUAN Zhongming¹

（1. Guangzhou Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510060， Guangdong， China;

2. School of Earth Sciences and Engineering， Sun Yat-Sen University， Zhuhai 519082， Guangdong， China;

3. School of Automation， China University of Geosciences （Wuhan）， Wuhan 430074， Hubei， China）

Abstract： This paper has designed an underground metal pipeline detection probe based on the electromagnetic induction method. The advantage of this probe is it can approach and detect the target pipeline by means of static pressure penetration. During the penetration process， the electromagnetic field strength and the cone tip resistance can be read in real time to obtain the location information of underground pipelines safely and prevent any damage to underground facilities. In the probe design， the magnetic core of an induction coil was used to transmit the cone tip resistance， the nonmetallic shell was also used to prevent signal shielding， and a filter amplification circuit was used to reduce external interference. Through model and field tests， the detection effect of the proposed probe was verified. The results showed that the detection error of the pipeline's buried depth can be controlled within 5 cm. This study has a positive significance for high-precision detection and underground pipeline protection of deep-buried pipelines.

Keywords： pipeline detection; electromagnetic method; cone penetration; deep buried pipeline; high-precision positioning

0 引言

城市的發展離不開地下管線，城市地下管網體系具有規模龐大、綜合復雜的特點。因此，地下管線探測關系到每個居民的切身利益，也關系到城市的可持續性發展^［1］。在城市規劃、設計、施工和管理工作中，如果沒有完整準確的地下管線信息，就會寸步難行甚至發生破壞，從而造成重大安全事故和經濟損失^［2］。在實際工程中，可能由于管線過于老舊，或者涉密等原因無法獲取資料，對于非開挖工法施工的管線^［3］，中間段的位置也難以確定。

一般深埋管線具有埋深大、重要性高、危險性高等特點，一旦破壞將對社會影響巨大。目前常用的非開挖探測方法主要是地球物理方法^［4］，包括：磁測法^［5］、電磁法、探地雷達法^［6］、聲波法、淺層地震法等，這些方法大多在地面上進行^［7］，但由于實際應用中易受到探測環境、管線交疊、地下其他異常情況等干擾，從而造成探測不準^［8］。

為解決深埋管線探測的難題，可以采用減小探測設備與目標管線距離的方法，如佘繼紅等^［9］提出先利用管線探測儀在地面確定水平位置，再通過靜力觸探設備在水平點貫入，通過貫入阻力判斷探頭是否觸碰到目標管線。張永命等^［10］通過預鉆孔，在孔中下放線圈測量電磁場獲得更清晰的信號，稱之為“豎直剖面法”。鄭啟炳等^［11］通過小型背包鉆將測量探頭壓入地下的方式，實現了深埋管線的電磁法豎直剖面探測，其缺點在于鉆孔施工過程中，不能監測貫入阻力，存在破壞淺層未知管線或其他構筑物的風險^［12］。

為解決現有管線探測中的靜力壓入法不能實時測量探頭貫入時的錐尖阻力問題，研究了一種新型地下管線探測設備，將電磁傳感器的尺寸壓縮，集成到靜力觸探探頭中進行貫入。該設備不僅可以通過電磁傳感器探測金屬管線，還可以在壓入過程中實時測量錐尖阻力，在其超過某安全閾值時停止貫入，從而有效避免貫入過程對地下設施的破壞，從而有效提升地下管線探測的準確性和安全性。

1 工作原理

地下金屬管線在探測范圍內通常可以近似為長直導線，通過信號發射機向目標管線施加特定頻率的激勵信號，地下金屬管線在交變電流的作用下，在周圍產生感應電磁場。根據電磁場理論^［13］，無限長直導線周圍產生的電磁場遵循畢奧-薩伐爾定律。

H（r₀）=μ₀/2πr₀I₀e^-iωt （1）

式中：μ₀=4π×10^-7 N/A²為常數;I₀e^-iωt為諧變電流大小;ω為電流角頻率;H為電磁場強度;r₀為探測點到管線的距離。由式（1）可知，在不考慮衰減的情況下，電磁場強度與距離成反比，與電流大小成正比^［14］。

通過貫入安裝有電磁感應線圈的探頭測量電磁場的大小，即可反映出所探測管線的信息（圖1）。探測線圈只能得到軸向分量的電磁場強度，線圈處電磁場強度分量H_z隨深度z的變化關系式為：

H_z（z）=H·cosθ=μ₀/2πd/z²+d²I₀e^-iωt （2）

式中：μ₀/2π為常數;I₀e^-iωt在一次測量中可以認為是定值，將其設為1。不考慮電磁波在土體中的衰減，由式（2）計算得到電磁場強度與鉆孔距離的關系如圖2所示。只需要知道電磁場強度峰值的位置，即可以推測出管線的位置，物探中稱為峰值法，也稱極大值法^［14］。

在常規的地面探測中，得到的是水平剖面信息，因此可以直接得到管線的平面位置，而埋深則需要通過反演或特征點法間接得到，其誤差通常大于水平位置誤差，規范^［15］要求隱蔽管線平面位置和埋深的探測中誤差分別為0.05h和0.075h，這里h指地面探測時管線的埋深。而采用豎直貫入的方式可以得到豎直剖面，利用峰值法可以直接得到管線埋深，且由于探測距離縮短，滿足規范要求的情況下，埋深探測中誤差降低為0.05d（d為距離，如圖1所示），可以顯著降低深埋管線的探測誤差。

2 硬件設計

2.1 探頭整體設計

用于電磁法探測地下金屬管線的探頭，需要能夠探測特定頻率的電磁波信號，相當于靜力觸探探頭集成管線探測儀接收機的功能。由于需要貫入土層，探頭應兼具強度高、體積小、抗干擾強、防水耐磨等性能，因此在結構、材料、電路等方面需要專門設計。本文創新之處在于，電磁感應線圈的磁芯作為增大電感的元器件的同時，可以傳遞錐尖阻力。這樣就不再需要通過下端側壁摩擦筒傳遞錐尖阻力，因此下端側壁摩擦筒可以使用非金屬材質，避免了探頭外殼對電磁信號的屏蔽，探頭結構如圖3所示。

常規的靜力觸探錐尖為60°尖角，為防止在貫入過程中對PE等塑料材質管線造成刺入破壞，本文將錐尖設計成圓角。設計圖和實物圖如圖4所示。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 電磁感應硬件電路設計

在測量過程中，對不同類型的地下金屬管線可能需要施加不同頻率的信號，因此設計可選頻率的接收電路，電磁感應法探測系統硬件電路整體方案如圖5所示。

電磁感應法硬件電路由感應信號接收線圈、多路LC諧振選頻電路、前級信號放大電路、帶通濾波電路、程控放大電路（PGA）、真有效值電路、低通濾波電路、ADC采集電路、單片機最小系統電路、通訊電路和電源電路組成。感應線圈用于將外界交變磁場信號轉化為感應電動勢輸出;感應電動勢經過多路LC諧振選頻電路、前級信號放大電路、帶通濾波電路和程控放大電路（PGA）被選頻和放大;然后采用真有效值電路將選頻和放大后的信號轉換為其均方根值輸出;再由24位高精度模數轉換芯片ADS1255完成信號同步采集;最終將采集的信號經單片機處理后，通過RS485通訊電路上傳到上位機進行數據分析和處理。

（1） 感應線圈的設計

感應線圈設計分為兩部分：一為磁芯的選取;二為感應線圈的繞制。磁芯的選取要考慮兩個方面：①磁芯為探頭機械結構的一部分，要保證探頭向下貫入的過程中，磁芯在外力作用下不能發生明顯的形變、彎曲和破損。②磁芯材料要具有較高的導磁率、較低的矯頑力及較高的電阻率。由于所檢測的頻率為低頻信號，最終磁芯材料選定為硅鋼，感應線圈繞制在硅鋼加工而成的圓柱棒上（直徑17.5 mm）。硅鋼的彈性模量約為200 GPa，在常見巖土體中進行貫入應變小于1/10 000，磁導率幾乎不發生變化。為了減小集膚效應的影響，感應線圈應采用多股線繞制，線圈外徑d₁≤22.5 mm，線圈高度為70 mm。同時，為了降低線圈的寄生電容對線圈的頻率特性的影響，對線圈采用分段繞制的方式。通過阻抗測量儀對繞制線圈進行測量，根據測量數據匹配諧振電容，進行前級LC諧振選頻。

（2） 程控多路LC諧振選頻電路

感應線圈在接收到外界激勵磁場后會產生感應電動勢。雖然地下相對地面干擾源較少，但地下可能存在相鄰管線如高壓電纜、信號線等，也會產生干擾噪聲。由于感應線圈產生的電動勢很微弱（mV級），同時含有其他頻率成分的干擾信號，因此，感應線圈前級采用選通電路（電壓諧振，8選1），對其他頻率信號進行過LC串聯諧振抑制。通過程序控制模擬多路開關74HC4051導通回路，匹配諧振電容，以實現對940 Hz、2 kHz、4 kHz、8 kHz、33 kHz等不同頻率的信號進行選頻。信號經RLC諧振選頻電路后，選用JEFT運算放大器ADA4622，以保證信號完整輸入并減小信號的損耗，同時對信號進行初級放大。

（3） 帶通濾波電路

常用的帶通濾波器有巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾帶通濾波器。為有效地濾除8 kHz和33 kHz以外的雜波信號，并且獲得較好的選頻效果，需要設計較高品質因數Q的帶通濾波器。在此選用增益帶寬積為420 MHz、壓擺率為180 V/μs的低噪聲軌道輸出運行LTC6226，設計Sallen-Key拓撲結構的四階巴特沃斯帶通濾波電路，從而有效濾除雜波信號。

（4） 有效真值電路

感應線圈接收信號經選頻、放大及濾波后，采用真有效值電路將感應信號（正弦交流信號）轉化為其均方根值。真有效值轉換器能夠精確測量輸入信號中直流和交流兩個分量的真有效值。相比于求平均值電路，輸入信號波形較為復雜時，均方根直流轉換器都能測量輸入信號的均方根值。AD637集成均方根直流轉換器的性能、精度、帶寬和動態范圍，可有效地計算出復雜波形的均方根值。

AD637的真有效值轉換硬件電路在設計中，需要確定求平均值的時間常數。求平均值時間是真有效值轉換器計算期間保持輸入信號的時間，直接影響著真有效值測量精度。時間常數通過設置有效真值電路中C₃₃的容值來確定，計算如下：

τ=0.025/1μF×C₃₃， （τ的單位：s） （3）

（5） 低通濾波電路

實際真有效值電路轉換過程中，正弦信號輸入真有效值轉換器AD637無法得到真理想值;經過真有效值轉換器后，會同時包含直流和交流誤差分量。直流誤差分量為輸出信號平均值E₀與理想輸出E₀之間的直流電壓差。交流分量輸出誤差以輸出紋波的形式存在，紋波頻率為輸入信號頻率的2倍。因此，在真有效值電路信號輸出端設計低通濾波電路，來消除轉換器輸出中交流誤差的紋波。

（6） ADC模數轉換電路

線圈接收信號經模擬信號調理電路，由單通道、低噪聲、24位ADS1255進行A/D轉換。ADS1255內部由輸入緩沖器（Buffer）、可編程增益放大器（PGA）、模擬調制器、可編程數字濾波器、時鐘發生器控制器和串行外設接口等構成。時鐘從外部輸入，采用7.68.M有源晶振，頻率信號更穩定，同時也減少了其他雜散信號的干擾。

（7） 主控電路

依據實際測量系統的需求，主控單元設計采用LQFN封裝的STM32系列單片機—STM32F103C8T6，實現感應電壓測量、控制及數據處理。

（8） 電源模塊電路

因感應線圈接收信號為交流信號，由正分量和負分量構成。單電源供電會造成信號失真，因此，模擬信號調理電路采用±5 V進行供電。模擬信號調理電路對精度和噪聲要求較高。因此，在設計時選用低噪聲LDO模塊中的TPS7A3001和TPS77401分別來提供±5 V電壓。LDO模塊相較于DC/DC模塊，雖然輸出功率較小，但是無開關噪聲，非常適合為模擬信號中的調理電路供電。電磁感應硬件電路實物如圖6所示。

2.2.2 錐尖阻力硬件電路設計

錐尖阻力硬件電路主要包括主控電路、電源電路、信號調理電路、通信接口幾個部分，其主要實現功能是：將探頭中的電橋原始信號放大和濾波，通過主控芯片的ADC進行模數轉換，經通信接口將轉換后的數字信號發送到上位機。為了配合探頭的尺寸，在器件選型上盡量選擇小封裝的器件，PCB的尺寸為8.5 mm×110 mm。硬件電路整體方案如圖7所示。

（1） 主控電路

主控采用NXP Kinetis系列中的KL17芯片，KL17芯片最高時鐘可達到48 MHz，內部集成16通道的高精度16位ADC，軟件可使用SW模式調試下載，在深度睡眠情況下消耗的電流僅為1.96 μA，最小封裝僅為2.8 mm×2.7 mm，適用于小型傳感器和探頭的設計。

（2） 電源電路

通過DC/DC轉換芯片LM22673將輸入電源轉換為5 V的直流穩壓電源，再進一步降壓分別給信號調理電路、主控電路、通信接口電路供電。

（3） 信號調理電路

電橋輸出的原始信號十分微弱，電路上通過差分放大電路進行放大，通過調節R25/R26/R32/R33的電阻值，即可調節放大的倍數;放大后的信號經過一個二階低通濾波器，最后接入主控芯片的16位ADC中。

（4） 通信接口電路

錐尖硬件電路與上位機的通信采用的是RS485通信，通過一個485串口通信芯片進行電平轉換實現。最終錐尖阻力測量電路板實物如圖8所示。

3 軟件設計

軟件適用于Windows 7/8/10系統環境，使用C⁺⁺語言，Qt Creator 4.10.0 （Community）平臺開發。

軟件可以針對不同的探測任務，建立不同的孔號、不同的孔號名稱和孔號屬性工程文件，并具有參數可視化功能，包括數據顯示和圖形顯示兩部分，數據顯示通過數字量的形式在特定區域;圖形顯示將主要的磁場信號繪制成曲線，更加直觀、方便。實時顯示物理量主要包括：電導率、線圈電磁感應強度、三軸姿態角、錐尖壓力、側壁壓力以及深度等。可調整的參數主要有：采集速率、增益、頻率等，如圖9所示。

試驗測試

為檢驗探頭的性能，進行了一系列模型試驗和現場試驗測試。其中模型試驗使用圓形導線通過交流電產生電磁場，電磁場的空間分布可由電磁場理論求解得到。探頭朝向和運動方向均為豎直，模擬貫入探測的工作過程，并設計了圈外探測和水下探測，以模擬工作中距離管線較遠和存在地下水的情形，如圖10所示。

4.1 線性度測試

由圖2知，需要通過電磁場強度曲線反演得到管線位置信息，因此探頭需要良好的線性度來保證電磁場強度探測的準確性。將探頭固定在圓形導線中間，通過改變電流大小調節電磁場強度，得到讀數與電流的關系如圖11所示，說明線性度良好。

4.2 模型試驗

模型試驗以半徑為1 m的圓形導線為載流體，使用定滑輪牽引探頭垂直運動，具體方案為：A圈內探測；B圈外探測；C圈外水下探測。

橫梁、導線支架均采用木制結構，發射機使用雷迪的Tx-10，電流頻率8 kHz，電流強度根據需要依次使用20/100/500 mA。探頭從導線圓心正上方約1 m處垂直向下運動，在圓心正下方約1 m處停止，使用拉繩式深度計記錄位移變化，試驗過程中采樣間隔固定為600 ms，探頭的運動速度控制在5 cm/s以下。每個測量參數，重復進行兩次試驗，結果如圖12所示。

模型試驗的理論值通過電磁場理論得到。當導線半徑為R，電流為I₀時，圓環軸線上距離中心z處的電磁場強度為：

H=μ₀/2R²/（R²+z²）^3/2I₀ （4）

圈外磁場分布解析解較為復雜，可以通過數值積分求解。給出導線在空間中的參數曲線表達式U（θ），電流為I₀，待測點位置為P，坐標（x，y，z），電流元為dl ，電流元到P點的單位矢量為e _r，可得導線在P點產生的感應磁場H 為：

觀察發現試驗測量值和理論值吻合較好，試驗結果曲線基本呈對稱分布，且曲線光滑（除0.5 m處由于重新搭接深度計發生一點波動），峰值明顯且唯一。

試驗采樣間距2～4 cm，加之讀數存在波動導致讀數最大值和理論電磁場強度最大值的位置存在偏差，分析數據發現該誤差通常為1～2 cm，最大不超過4 cm，與采樣間距相當，屬于正常的測量誤差。由于數據對稱性好，如果采用峰值附近的采樣點數據擬合，可以減小誤差值。

將探頭移至圈外從水中放入，進行C組試驗，后將水槽移走，進行D組試驗，試驗結果如圖13所示。

水下測量讀數會有所減小，可能由于電磁信號衰減導致。對比不同電流下的測量結果發現，電流較大時讀數波動相對較小，實際應用中應盡量加大信號電流。試驗結果表明，探頭防水效果好，水下電磁場分布依然符合一般規律，該探頭可以用于位于地下水位以下的超深埋金屬管線的探測。

4.3 現場試驗

廣州市黃埔區埔北路某交叉路口存在多條牽引管線，需要探明埋深，管線為PVC套管，探測時利用穿線器將金屬導線從PVC套管的工作井中穿入，發射機使用雷迪的Tx-10，電流頻率8 kHz，電流大小約為200 mA。先利用接收機RD8000在地面確定水平位置，再在距離目標管線約1 m處貫入探頭，記錄深度和電磁場讀數，探測結果如圖14所示。

試驗現場通過路面開挖和搜集資料發現，填土層中有多條供水、電力等管線，給深埋管線探測造成了較大影響。現場試驗結果表明，電磁靜探法在接近管線深度附近讀數較大，受淺層干擾較小，峰值清晰。擬合得到的峰值位置與示蹤探頭定位的實際埋深位置相差小于10 cm，其中，電纜線在第一次開孔過程中，水管插到了同管廊內臨近的PVC套管，深度約5.1 m，第二次開孔后順利貫入，使用探頭測量峰值處深度讀數為5.12 m，如果待測管線與臨近管線埋深相同，可以認為探測誤差小于規范要求的0.075h。由于采用貫入探測的方式，相當于探測了豎直剖面，其探查中誤差應滿足規范要求的“平面位置探查中誤差”，即0.05d，d為貫入點與待測管線的平面距離。

對比土層中的試驗結果（圖14）、空氣中的試驗結果（圖12）和水中的試驗結果（圖13）發現，空氣和水屬于均勻介質，測量曲線對稱性好，而土層屬于非均勻介質。因此，峰值附近的曲線不一定對稱，介質的非均勻會使測量產生誤差。采用貫入法探測的優勢是探頭距離待測管線更近，如本案例小于1 m。如果采用常規的地面探測，設備距離待測管線大于5 m，期間跨越的介質類型更多，不均勻性引起的誤差更大，因此采用貫入探測的方式可以最小程度地減小介質不均勻的影響。

4.4 刺入破壞測試

管線探測的前提是保護管線，常規的豎直剖面探測往往需要鉆頭成孔或探頭壓入，如果探頭無法實時獲取錐尖阻力，或錐尖過于尖銳，可能在貫入過程中對既有管線造成損壞。因此本文需要進行對管線的刺入破壞測試，以驗證設備的安全性能。

燃氣管線常使用PE塑料，韌性較好，分別使用常規的靜力觸探探頭（60°尖角）和改進后的圓角探頭進行貫入測試，結果對比見圖15、16。發現常規尖角探頭在約6 kN的貫入力下，就會將10 mm厚的PE管刺破，安全性不佳。而改進的圓角探頭，在10 kN的貫入力下，沒有出現刺破管壁的情況，說明安全性好。

在貫入過程中同步測量錐尖阻力，發現在土層中貫入順利，遇到障礙物時貫入受阻，錐尖阻力讀數陡增，且探桿出現明顯反彈，可以判斷為遇到障礙物，此時應停止繼續貫入，防止造成破壞。貫入過程中錐尖阻力曲線如圖17所示。

同時貫入結果也表明，使用圖 15中的便攜式貫入設備可以提供超過12 MPa的錐尖阻力，且探頭形態完好，各項讀數正常。探頭的標定錐尖阻力最高可達40 MPa，實際工程中能達到的錐尖阻力與貫入設備提供的貫入力有關。工程經驗表明12 MPa的錐尖阻力可以貫入密實砂等大部分土層^［16］，在城市地區可將硬化路面和地表雜填土清除后使用，該探頭適用性較好。

5 結論

本文設計了基于電磁靜力觸探法的地下金屬管線探頭，探頭可采用貫入的方式對深埋地下管線進行精準探測，可以同時測量電磁場和錐尖阻力的大小，在探測管線的過程中，避免對既有地下設施造成損害。通過模型試驗和現場試驗，驗證了探頭對管線埋深的測量精度高于規范要求，且具有足夠的強度和防水性能，適用于城市地區的深埋地下管線探測，對管線保護有重要意義。

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（本文編輯：任 棟）