基于電磁感應(yīng)法的地下金屬管線探測(cè)研究

湯慧強(qiáng)

摘 要：地下管線空間屬性的收集和建立已成為制約城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的重要因素，本文以電磁感應(yīng)法在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用為研究對(duì)象，探討了電磁感應(yīng)法的原理及探測(cè)方法，進(jìn)而分析了平面位置和埋深的確定方法，在此基礎(chǔ)上，論文結(jié)合湖南某市典型應(yīng)用案例，探討了采用直接法、夾鉗法和感應(yīng)法進(jìn)行管線探測(cè)的結(jié)果，結(jié)果表明，采用 70%法、50%法結(jié)合直讀法進(jìn)行定深，探測(cè)效果良好。經(jīng)第三方監(jiān)理開(kāi)挖驗(yàn)證，成果符合規(guī)范要求，質(zhì)量?jī)?yōu)。論文提出的相關(guān)方法和思路，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)法 地下管線 位置 埋深

中圖分類(lèi)號(hào)：TM15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（a）-0053-02

隨著城市建設(shè)的深入發(fā)展對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的需求不斷增長(zhǎng)。地下設(shè)施的數(shù)量、體量不斷上升，尤其是“十二五”以來(lái)中心地區(qū)發(fā)展城市交通設(shè)施、城市防災(zāi)設(shè)施、城市綠地、架空線入地等項(xiàng)目在全國(guó)大中型城市全面鋪開(kāi)，地下空間建設(shè)令人矚目。與此同時(shí)，在中心城區(qū)已經(jīng)形成與地面空間緊密相連，以交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為主線的地下空間開(kāi)發(fā)利用基本格局。大量信息、電力、燃?xì)狻⑴潘仁姓霉芫€或進(jìn)行地下鋪設(shè)，或改遷入地，地下管網(wǎng)種類(lèi)越來(lái)越多、管網(wǎng)鋪設(shè)越來(lái)越復(fù)雜，人們?cè)谙硎艿叵鹿芫W(wǎng)帶來(lái)的舒適便捷的同時(shí)，也不斷地碰到因管線資料不準(zhǔn)確而造成的建設(shè)事故、維修改造困難等問(wèn)題。

因此，地下管線空間屬性的收集和建立便成為制約城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的重要因素，利用現(xiàn)有的物探手段在不破壞現(xiàn)狀環(huán)境的前提下，確定管線及其附屬設(shè)施的空間形態(tài)、位置已成為現(xiàn)今物探行業(yè)的熱點(diǎn)課題。

1 電磁感應(yīng)法原理及方法

1.1 探測(cè)原理

電磁感應(yīng)法在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用原理，主要是利用地下管線與周?chē)橘|(zhì)導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性的差異，通過(guò)觀測(cè)和研究電磁場(chǎng)空間與時(shí)間分布規(guī)律，從而達(dá)到尋找地下管線的目的。

即，已知地下管線一般敷設(shè)在地表以下、15m以?xún)?nèi)的淺表土層中，且由于表土層一般無(wú)磁性，其電阻率在幾歐姆米至幾十個(gè)歐姆米。同時(shí)，金屬或電力管線具有中等以上強(qiáng)度的磁性，其電阻率一般為m，具有較好的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性。由此可見(jiàn)，地下管線與其周?chē)橘|(zhì)存在著明顯的電性、磁性差異。因此，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，理論上能夠探明地下金屬管線的分布狀況。

1.2 探測(cè)方法

根據(jù)探測(cè)原理，電磁感應(yīng)法可分為被動(dòng)源法和主動(dòng)源法兩種，其中主動(dòng)源法是常規(guī)探測(cè)中的主要方法。

（1）被動(dòng)源法。

被動(dòng)源法主要是利用天然電磁場(chǎng)的變化來(lái)確定目標(biāo)體的位置和深度。該方法具有一定的局限性，要求天然電磁場(chǎng)存在較大的差異性，主要應(yīng)用于淺部電力等管線的探測(cè)，在深部電力或金屬管線探測(cè)中應(yīng)用極少。

（2）主動(dòng)源法。

主動(dòng)源法，顧名思義就是通過(guò)一些必要的手段對(duì)目標(biāo)管線及周邊環(huán)境施加一定頻率和適當(dāng)強(qiáng)度的交變電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)稱(chēng)之為“一次場(chǎng)”。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，由于“一次場(chǎng)”磁通量的大小、方向不斷變化，使目標(biāo)管線及其周邊環(huán)境均產(chǎn)生感應(yīng)電流，其電流大小與磁通量的變化率成正比，頻率與“一次場(chǎng)”相同，且以電磁原點(diǎn)向四周發(fā)散傳播。該交變感應(yīng)電流在傳導(dǎo)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變電磁場(chǎng)，即形成所謂二次交變電磁場(chǎng)。

由于目標(biāo)管線的磁通量遠(yuǎn)大于周邊環(huán)境，所以交變電流能夠傳播得更遠(yuǎn)、能量更強(qiáng)。同理，與周邊環(huán)境相比，管線所感應(yīng)產(chǎn)生的二次場(chǎng)傳播得更遠(yuǎn)、強(qiáng)度也更強(qiáng)。理論上，探測(cè)點(diǎn)與電磁原點(diǎn)距離大到一定程度后，該差異就應(yīng)該能夠被檢測(cè)到，且場(chǎng)強(qiáng)差異會(huì)隨著距離的增加先增大后減小、直至二次場(chǎng)衰減消失。

若應(yīng)用相應(yīng)的接收裝置觀測(cè)該特定頻率的二次場(chǎng)，便能通過(guò)磁測(cè)差異來(lái)最終確定目標(biāo)管線的空間形態(tài)，達(dá)到探測(cè)地下管線之目的。根據(jù)探測(cè)方式的不同，主動(dòng)源法包括直接法、夾鉗法、感應(yīng)法，詳見(jiàn)如下。

①直接法。

主要利用地下管線出露點(diǎn)，如閥門(mén)、檢修井、各種表具箱等，使目標(biāo)管線能夠直接感應(yīng)特定頻率的交變電磁場(chǎng)。該方法的特點(diǎn)是管線的感應(yīng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度增大了，差異也被放大了；其缺點(diǎn)是只能探測(cè)有出露點(diǎn)的管線，探測(cè)目標(biāo)較小。

②夾鉗法。

主要利用特制的夾鉗，將目標(biāo)管線模擬成發(fā)射機(jī)延展的一部分，令交變電磁場(chǎng)直接施加到管線上。其特點(diǎn)是二次場(chǎng)的差異理論上最大化了；其缺點(diǎn)是要求管線的尺寸較小（便于夾鉗夾套），且存在環(huán)繞空間。具體方法為，通過(guò)夾鉗直接將發(fā)射機(jī)延長(zhǎng)線夾套在目標(biāo)管線上，而后觀測(cè)該二次場(chǎng)信號(hào)并分析其特征，即能確定地下管線的空間形態(tài)。該方法常用于探測(cè)小口徑管徑的管線，例如電力、電信等。

③感應(yīng)法。

感應(yīng)法應(yīng)名可知，其是主動(dòng)源法理論應(yīng)用，其方法是在目標(biāo)管線上方（或附近）放置有交變電流通過(guò)的發(fā)射線圈，產(chǎn)生一次場(chǎng)、并感應(yīng)生成二次場(chǎng)；而后觀測(cè)該二次場(chǎng)信號(hào)并分析其特征，從而達(dá)到尋找地下管線的目的。該方法特點(diǎn)是理論上可探測(cè)所有種類(lèi)的地下管線，對(duì)管線的鋪設(shè)方式、現(xiàn)狀要求較低，常用于盲探管線、確定管線走向等。其缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境場(chǎng)要求較高，復(fù)雜管線探測(cè)的精度需要多種方法檢測(cè)。

2 位置及埋深的確定

電磁感應(yīng)法即為通過(guò)發(fā)射機(jī)在目標(biāo)管線上施加1個(gè)交變電流信號(hào)，該電流信號(hào)在沿管線傳輸過(guò)程中，會(huì)在管線周?chē)a(chǎn)生1個(gè)交變的磁場(chǎng)，其大小為I=K×I/k，方向?yàn)榈葎?shì)圓周上的切線方向。

若將該磁場(chǎng)分解為1個(gè)水平方向的磁場(chǎng)分量和1個(gè)垂直方向的磁場(chǎng)分量，通過(guò)矢量分解可知，在目標(biāo)管線的正上方時(shí)水平分量為最大，垂直分量為最小，且該量的大小皆與管線的位置和深度呈一定的比例關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量水平分量和垂直分量的大小，就能準(zhǔn)確地對(duì)地下管線進(jìn)行定位和測(cè)深。

2.1 平面位置的確定

（1）極大值法：極大值法是用垂直線圈測(cè)量電磁場(chǎng)的水平分量，由于地下管線形成的二次場(chǎng)水平分量在其正上方最大，所以在管線的正上方地面投影位置上出現(xiàn)極大值。

（2）極小值法：極小值法是用儀器水平線圈測(cè)量電磁場(chǎng)的垂直分量，由于地下管線形成二次場(chǎng)垂直分量在其正上方等于零，所在地下管線正上方地面投影位置出現(xiàn)極小值。

在野外實(shí)地定深時(shí)，上述兩方法應(yīng)結(jié)合使用，即先用極大值法找到管線的大致位置（極大值法異常易被發(fā)現(xiàn)），再用極小值法校準(zhǔn)定位。

2.2 埋深的確定

地下管線主要采用直讀法和特征點(diǎn)法來(lái)確定其埋深，其中直讀法探測(cè)要求環(huán)境場(chǎng)比較單一，不然根據(jù)場(chǎng)的復(fù)雜程度定深會(huì)存在一定誤差。精確定深中常根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況多種方法綜合運(yùn)用，例如直讀法結(jié)合45°法、70%法結(jié)合 50%法等。

（1）直讀法：原理是利用上下兩個(gè)線圈測(cè)量目標(biāo)電磁場(chǎng)的梯度，由于電磁場(chǎng)的梯度僅與目標(biāo)體埋深有關(guān)，即可換算出管線埋深。

（2）特征點(diǎn)法：具體可分為70%法、50%法及45°法，其中70%以其通用性被廣泛應(yīng)用。

（3）70%法：先用垂直線圈極大值法定位，然后仍保持接收機(jī)的垂直狀態(tài)，沿管線兩側(cè)法線方向移動(dòng)，尋找兩側(cè)幅值為定位點(diǎn)最大幅值的70%的兩點(diǎn)，該兩點(diǎn)之間的距離等于地下管線的中心埋深。

（4）50%法：同70%相同，先用垂直線圈極大值法定位，然后仍保持接收機(jī)的垂直狀態(tài)，沿管線兩側(cè)法線方向移動(dòng)，尋找兩側(cè)幅值為定位點(diǎn)最大幅值的50%的兩點(diǎn)，該兩點(diǎn)之間的距離等于地下管線中心埋深的2倍。

（5）45°法：先用極小值法（即波谷法）精確地標(biāo)出管線的位置，把接收器的底端放在地面上，使得接收器傾斜至 45°角，然后仍保持接收機(jī)的傾斜狀態(tài)、沿管線法線方向移動(dòng)，當(dāng)Hx指示為零時(shí)，接收器底部所指地面位置與管線距離，便是管線的埋深。

3 典型案例

為適應(yīng)城市的發(fā)展及建設(shè)信息化、數(shù)字化城市的需要，經(jīng)湖南某市政府批準(zhǔn)，該市決定對(duì)主城區(qū)內(nèi)的城市道路地下管線進(jìn)行全面探測(cè)，同時(shí)進(jìn)行管線信息管理系統(tǒng)建設(shè)和動(dòng)態(tài)更新管理系統(tǒng)建設(shè)。探測(cè)面積約570km2，探測(cè)完成各類(lèi)管線長(zhǎng)度約23000km。

本次探測(cè)主要采用直接法、夾鉗法和感應(yīng)法進(jìn)行管線探測(cè)，常規(guī)采用極大值結(jié)合極小值法進(jìn)行定位，采用70%法、50%法結(jié)合直讀法進(jìn)行定深，探測(cè)效果良好。經(jīng)第三方監(jiān)理開(kāi)挖驗(yàn)證，成果符合規(guī)范要求，質(zhì)量?jī)?yōu)。部分典型圖件詳見(jiàn)圖1。

4 結(jié)語(yǔ)

電磁感應(yīng)法是常規(guī)管線探測(cè)中主要應(yīng)用的方法，但其也具有一定的局限性，如對(duì)環(huán)境場(chǎng)要求較高，不能一勞永逸地解決所有地下管線探測(cè)中遇到的問(wèn)題；對(duì)于新材料非金屬管線、例如PH、PVC 等還無(wú)法做到定位定深，往往需要其他輔助手段，例如鋪設(shè)輔助測(cè)線、單向供電等來(lái)進(jìn)行探測(cè)；對(duì)于深度大于8m（環(huán)境場(chǎng)較差時(shí)，深度大于5m）的深大管線，理論上還存在技術(shù)缺陷，定深定位存在一定的難度，誤差也比較大；對(duì)于多條并行、交錯(cuò)的復(fù)雜管線，其往往要靠不斷變換探測(cè)方式來(lái)減少多解性，提供探測(cè)精度。相信在未來(lái)，隨著國(guó)家“十三五”計(jì)劃對(duì)城市管網(wǎng)普查的要求，地下管網(wǎng)探測(cè)將迎來(lái)更大的發(fā)展，從理論基礎(chǔ)、數(shù)理模型，到探測(cè)方法、儀器研發(fā)等都會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步。

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