淺析城市地下管線疑難探測的方法及應(yīng)用

杜朋衛(wèi)

(北京同創(chuàng)達(dá)勘測有限公司，北京 100081)

1 引 言

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，它就像人體內(nèi)的“神經(jīng)”和“血管”，擔(dān)負(fù)著傳遞信息和輸送能量的工作，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”。查清城市地下管線的現(xiàn)狀，是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的需要，是抗震、防災(zāi)和避免管線事故的需要，是保證市民的正常生產(chǎn)、生活、出行和城市發(fā)展的需要，是加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加速現(xiàn)代化進(jìn)程的保障。隨著城市的快速發(fā)展，市政道路負(fù)載也越來越重，對地下管線的依賴性也越來越大。但在實(shí)際工作中，由于各種原因，諸多疑難管線使用常規(guī)的探測儀器和方法已經(jīng)無法得到解決，由于疑難管線的數(shù)據(jù)信息無法準(zhǔn)確地獲取，經(jīng)常造成工程設(shè)計(jì)過程中修改設(shè)計(jì)方案，甚至發(fā)生因施工造成的管線破壞事故。因此，摸清地下管線現(xiàn)狀，提供準(zhǔn)確的管線數(shù)據(jù)信息是城市規(guī)劃建設(shè)、工程施工、管線運(yùn)維、應(yīng)急搶險等城市管理發(fā)展迫切需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 管線的探測難點(diǎn)

地下管線具有種類多，材質(zhì)多樣，權(quán)屬單位不同，鋪設(shè)時間不定和施工方法不同的特點(diǎn)，使管線經(jīng)常出現(xiàn)縱橫交叉、上下重疊的走向，同時受地面干擾源的影響，導(dǎo)致準(zhǔn)確地探測出各種管線的走向、埋深、連接關(guān)系等信息具有一定的難度。歸結(jié)起來，疑難管線的探測通常是指對非金屬材質(zhì)、非開挖鋪設(shè)施工的、長距離大埋深的、檢修井等明顯點(diǎn)少的、管線鋪設(shè)間距小、周邊環(huán)境高干擾的管線進(jìn)行準(zhǔn)確地探測。

3 疑難管線的探測方法

3.1 選擇合適的探測方法

管線探測儀的主要作業(yè)方法分為被動源法和主動源法，被動源法分為工頻法和甚低頻法，主動源法包括直連法、夾鉗法、電偶極感應(yīng)法、磁偶極感應(yīng)法和示蹤電磁法。由于探測儀器的信號發(fā)射與計(jì)算參數(shù)存在一定的差異，進(jìn)行管線探測時，依據(jù)管線的材質(zhì)與周圍介質(zhì)存在不同物理特性差異的特點(diǎn)，選擇合適的探測方法和工作頻率，能夠有效地提高對疑難管線的探測精度[1]。

管線探測儀常用工作頻率的劃分：低頻(10 kHz以下的頻率)、中頻(10 kHz～40 kHz的頻率)、高頻(40 kHz以上的頻率)。根據(jù)探測管線的自身特點(diǎn)，結(jié)合本人在管線探測工作中的總結(jié)，管線探測工作模式和頻率可參考表1。

探測儀工作模式和頻率 表1

3.2 密集管線的探測方法

對于密集重疊的導(dǎo)電管線探測，應(yīng)優(yōu)先采取直連法探測或夾鉗法探測，從而減弱相鄰管線對目標(biāo)管線的信號干擾。然而，在實(shí)際探測中，經(jīng)常出現(xiàn)目標(biāo)管線檢修井、裸露點(diǎn)等明顯點(diǎn)缺少，沒有良好的接地條件等情況，無法采用直連法、夾鉗法探測，從而只能使用感應(yīng)法探測。根據(jù)探測儀收發(fā)線圈的設(shè)置，結(jié)合管線密集的情況，可以采取以下感應(yīng)法對目標(biāo)管線探測，從而得到目標(biāo)管線的走向、埋深甚至是連接關(guān)系[2]。

(1)水平壓線法

根據(jù)發(fā)射機(jī)線圈垂直偶極子施加信號時，不激發(fā)其正下發(fā)管線而激發(fā)鄰近管線的特性，將發(fā)射機(jī)平臥，放在鄰近干擾管線的正上方，從而壓制干擾管線的信號，突出目標(biāo)管線的信號，此方法可以有效地對平行密集管線進(jìn)行探測，工作示意圖如圖1所示。

圖1 水平壓線法

(2)垂直壓線法

根據(jù)發(fā)射機(jī)線圈水平偶極子施加信號時，線圈正下方管線耦合情況最好的特性，將發(fā)射機(jī)直立放在目標(biāo)管線的正上方，從而壓制鄰近干擾管線的信號，突出目標(biāo)管線的信號，此方法適合對埋深淺、間距大的平行管線進(jìn)行探測，工作示意圖如圖2所示。

圖2 垂直壓線法

(3)傾斜壓線法

當(dāng)密集重疊的管線間距較小時，水平壓線和垂直壓線法的探測效果都不好，也很難探測到目標(biāo)管線的信號，可以采用傾斜壓線法進(jìn)行探測。該方法是根據(jù)目標(biāo)管線與干擾管線的空間位置分布，結(jié)合現(xiàn)場情況，選擇發(fā)射機(jī)合適的擺放位置和傾斜角度，通過調(diào)整發(fā)射機(jī)的擺放姿態(tài)，使發(fā)射線圈軸向面對干擾管線的前提下，盡可能地將發(fā)射機(jī)放置于目標(biāo)管線上方，確保發(fā)射機(jī)有效地激發(fā)目標(biāo)管線，壓制干擾管線，從而對目標(biāo)管線進(jìn)行有效地探測，工作示意圖如圖3所示。

圖3 傾斜壓線法

3.3 非金屬及深埋管線探測的方法

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵、高架橋、地下建筑的新興建設(shè)，以及頂管施工技術(shù)的發(fā)展，深埋管線日益增多，對于深埋管線的界定，通常把管頂深度大于 3.0 m的管線定義為深埋管線。同時因?yàn)榉墙饘俟懿墓艿谰哂袩o毒、無銹、使用壽命長的性能，越來越多的專業(yè)管線選擇鋪設(shè)非金屬管道。所以，在進(jìn)行地下管線探測工作中，經(jīng)常會遇到大埋深管線或者非金屬管線，由于此類管線電流傳輸衰減快或者不具備導(dǎo)電的條件，使用電磁感應(yīng)法不能對此類管線進(jìn)行探測，如果需要探測此類管線，探地雷達(dá)法是目前主要使用的方法。

(1)探地雷達(dá)探測原理

探地雷達(dá)是近幾年迅速發(fā)展起來的高分辨、高效率的無損探測技術(shù)，是目前解決非金屬管線探測最為活躍的技術(shù)方法之一。探地雷達(dá)一般由便攜式計(jì)算機(jī)、主機(jī)、天線、電源及其他附件組成，采用高頻廣譜的電磁探測技術(shù)，通過向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)時，如空洞、地下管線時，電磁波便發(fā)生反射，地面天線對反射回的電磁波進(jìn)行信號處理和分析，根據(jù)信號的波形、幅度、強(qiáng)度等參數(shù)推斷地下目標(biāo)的位置、結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下管線的探測。因?yàn)椴煌慕橘|(zhì)內(nèi)有不同的電磁波傳播特點(diǎn)，電磁波會出現(xiàn)反射、透射或折射的現(xiàn)象，探地雷達(dá)正是利用這樣的電磁波特點(diǎn)進(jìn)行工作的[3]，工作示意圖如圖4所示。

圖4 探地雷達(dá)工作示意圖

(2)天線頻率的選擇

通常，把探測時所采用的天線中心頻率定義為探測頻率，而實(shí)際的工作頻率范圍是以探測頻率為中心的頻帶，探測頻帶主要影響探測的深度和分辨率。當(dāng)探地雷達(dá)工作在介電極限條件時，高頻電磁波的衰減幾乎不受探測頻率的影響，比如，電磁波在空氣中傳播，由于不存在傳導(dǎo)電流，電磁波不發(fā)生衰減。但實(shí)際上，由于大地電阻率一般都比較低，高頻電磁波在傳播過程中感應(yīng)出傳導(dǎo)電流而發(fā)生振幅衰減，其衰減的程度隨電磁波頻率的增加而增加[4]。

探地雷達(dá)的發(fā)射頻率從十幾兆到數(shù)千兆，雷達(dá)天線的頻率和天線發(fā)射的子波波長直接相關(guān)，探地雷達(dá)天線頻率越高的其電磁波波長越小，探測目標(biāo)管線時深度就越淺，但分辨率就越高，適合對小規(guī)格管線進(jìn)行探測。反之，頻率越低的天線其電磁波波長越長，其探測深度越大，分辨率就越弱，適合對大管徑、大埋深的管線進(jìn)行探測[1]。通過在北京地區(qū)的一些探測案例，來分析探地雷達(dá)不同天線的有效探深和最小分辨率，如表2所示。

不同天線的有效探深和最小分辨率 表2

根據(jù)表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下，探地雷達(dá)探測的有效深度為電磁波波長的5倍，探測的有效最小分辨率為探測深度的1/20。但在實(shí)際工作中，考慮到地下土體密度和含水量分布不均勻等因素，導(dǎo)致最小分辨率下降，工作中宜取最小分辨率為探測深度的1/10。

因此，在選擇探地雷達(dá)進(jìn)行探測時要根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合目標(biāo)管線的探測深度和規(guī)模大小，綜合考慮分辨率和探測指標(biāo)，以選擇頻率合適的天線。一般來說在滿足探深而且場地條件允許時，應(yīng)該盡量選擇使用頻率高的天線，常用雷達(dá)天線頻率及探測深度如表3所示。

常用雷達(dá)天線頻率參數(shù) 表3

(3)項(xiàng)目案例

北京市房山區(qū)引磁入房輸水工程是北京市重點(diǎn)工程，輸水管線建設(shè)于1996年，起于河北鎮(zhèn)磁家務(wù)村，止于房山區(qū)良鄉(xiāng)城區(qū)，是房山區(qū)重要的水資源管線，擔(dān)負(fù)著房山區(qū)供水補(bǔ)給功能。管線全長 27 km，全線采取UPVC管材，管徑為 DN400 mm～DN700 mm，平均覆土深度為 1.50 m～5.00 m，管線最大高差 47.00 m。管線包括輸水管線、水廠及配水網(wǎng)三部分，輸水管線沿途地形復(fù)雜，鋪設(shè)凹凸起伏，共穿越13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，15個行政村，8次穿越河流，7次穿越公路，2次穿越鐵路，并數(shù)次穿越其他管線。

此輸水管線由于建設(shè)年代久，缺少管線基礎(chǔ)資料，為了能夠查清該輸水管線正確的位置、埋深及連接關(guān)系，北京同創(chuàng)達(dá)勘測有限公司承擔(dān)了該輸水管線的探測任務(wù)。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)管線沿線檢修井等明顯點(diǎn)少，沿途多為農(nóng)田和村莊，沿途地形起伏變化大，而且該輸水管線材質(zhì)為UPVC，使用常規(guī)的金屬管線探測儀無法對其進(jìn)行探測，為了能夠準(zhǔn)確地探測出管線的位置及埋深，北京同創(chuàng)達(dá)勘測有限公司選用了加拿大Pulse EKKO PRO探地雷達(dá)進(jìn)行探測。

現(xiàn)場探測前，首先對探測場地內(nèi)的電磁波速度進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，選擇距離探測場地最近的管線明顯點(diǎn)，用探地雷達(dá)實(shí)測雷達(dá)波反射傳播時間t，并量取管線頂部實(shí)際埋深h，計(jì)算此處地下電磁波速度v=2*h/t作為本次探地雷達(dá)的波速[6]。

根據(jù)現(xiàn)場探測環(huán)境、目標(biāo)管線規(guī)格及概略深度，為了保證探測深度、位置精度能夠滿足探測精度要求，選擇 100 MHz和 200 MHz兩種頻率的天線進(jìn)行探測，探測時采集間距設(shè)為 0.1 m。根據(jù)現(xiàn)場地形情況，共布設(shè)測線50條，測線間距約為 15.0 m，測線長度平均為 10.0 m～15.0 m，探測示意圖如圖5所示。

圖5 探地雷達(dá)測線示意圖

(4)探測結(jié)果

根據(jù)探地雷達(dá)波的探測原理，當(dāng)兩個介質(zhì)的介電常數(shù)相差較大時，雷達(dá)波會發(fā)生明顯的反射、繞射等現(xiàn)象。通過現(xiàn)場探測，發(fā)現(xiàn)當(dāng)探地雷達(dá)探測至目標(biāo)管線正上方時，電磁波在介質(zhì)中的走向有明顯的變化，雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，可以清晰地看到目標(biāo)管線的雷達(dá)成像圖，同一探測位置兩組不同頻率天線的雷達(dá)波圖形如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7雷達(dá)波圖形成像中，可以清晰地看到目標(biāo)管線與周圍介質(zhì)之間存在足夠的電性差異，對兩種天線探測的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，不同天線探測目標(biāo)的位置一致，探測深度差異不大，探測結(jié)果有效。

圖6 100 MHz天線雷達(dá)波形圖

圖7 200 MHz天線雷達(dá)波形圖

3.4 非開挖管線探測的方法

非開挖技術(shù)通常是指在地表無須挖槽或以最小開挖量的條件下進(jìn)行各種地下管線的鋪設(shè)、更換或修復(fù)的一種施工新技術(shù)。由于非開挖管線施工工藝絕大部分工作面在地下，與地面連接少，幾乎對交通沒有影響，對環(huán)境、噪聲的影響也都比較少，被廣泛地應(yīng)用在地下管線施工建設(shè)中[7]。

根據(jù)非開挖技術(shù)的施工特點(diǎn)，非開挖技術(shù)主要應(yīng)用于新建管線穿越道路、鐵路、河流以及地表受保護(hù)的區(qū)域，以減少因地下管線施工對地表建構(gòu)筑物造成的影響及損壞。非開挖施工的管線一般為非金屬管線，且具有埋設(shè)較深、管線水平走向及埋深變化靈活等特點(diǎn)，常規(guī)的探測方法無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確地定位、定深。因此，非開挖施工管線的探測目前已成為探測的難點(diǎn)，對于此類管線一般采用探地雷達(dá)法、陀螺儀定位法、導(dǎo)向儀探測法、穿線法(示蹤探測法)等補(bǔ)充探測手段。根據(jù)各種探測方法所需的儀器設(shè)備成本及工作效率，通過北京同創(chuàng)達(dá)勘測有限公司實(shí)施的項(xiàng)目案例重點(diǎn)分析導(dǎo)向儀探測法、穿線法在非開挖施工管線探測中的應(yīng)用。

(1)項(xiàng)目案例

在浦東新區(qū)自貿(mào)區(qū)區(qū)域地下管線普查項(xiàng)目中，大部分的電力、通信管線采用了非開挖施工的方式鋪設(shè)，且已鋪設(shè)的管線中大部分為空管未進(jìn)行電纜穿線，給管線的探測工作增加了很大的難度。

探測管線位于浦東新區(qū)江東路東側(cè)一條通信管線，通信管線規(guī)格為 180 mm*120 mm、材質(zhì)為PE、孔數(shù)為24孔、人孔內(nèi)埋深 1.12 m、去向不明。由于通信管線單孔管徑較小，平均為 30 mm～50 mm，陀螺儀無法將主機(jī)拖入管道內(nèi)，因此，對于此類管線無法采用陀螺儀進(jìn)行定位測量。結(jié)合現(xiàn)場探測環(huán)境及探測精度，現(xiàn)場采用了導(dǎo)向儀探測法、穿線法兩種探測方法，對通信管線進(jìn)行了探測，并對探測結(jié)果進(jìn)行比對。

(2)導(dǎo)向儀探測

現(xiàn)場采用導(dǎo)向儀進(jìn)行探測，探測示意圖如圖8所示，包含接收機(jī)與傳感器，并配備穿管設(shè)備，導(dǎo)向儀的傳感器就是一個小型發(fā)射源，利用穿管設(shè)備將傳感器送至管道內(nèi)，再用接收器接收跟蹤傳感器在地面的位置及深度，從而查明管道的走向和埋深。采用導(dǎo)向儀對管線進(jìn)行探測前，需要對導(dǎo)向儀進(jìn)行校準(zhǔn)，一般情況下，平均每 5 m進(jìn)行一次定位、定深，以反映管線的位置及深度，導(dǎo)向儀探測數(shù)據(jù)如表4所示。

圖8 導(dǎo)向儀探測示意圖

導(dǎo)向儀探測數(shù)據(jù) 表4

(3)穿線法(示蹤探測法)

現(xiàn)場已采用導(dǎo)向儀對管線進(jìn)行了探測，為了對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，同時為了驗(yàn)證穿線法探測的數(shù)據(jù)精度，對同一通信管線采用穿線法進(jìn)行了二次探測，探測位置與導(dǎo)向儀探測為同一管線點(diǎn)。

一般的示蹤探測法需要地下管線探測儀配備示蹤儀，并配備穿管器，將能發(fā)射電磁信號的探棒(示蹤探頭)送入管道內(nèi)[8]，使用探測儀接收機(jī)在地面接收探棒信號，以完成管線的定位、定深。

通過導(dǎo)向儀的探測數(shù)據(jù)分析，目標(biāo)管線埋深差異很大，已經(jīng)超出了探棒的探測范圍，使用探棒無法完成對管線的探測。因此，針對此類管線，我們在管線探測工作中，研究了一種利用示蹤線進(jìn)行管線探測的方法(穿線法)。

穿線法探測時，需要使用地下管線探測儀、穿管器以及導(dǎo)電性好的電線，將探測儀發(fā)射機(jī)工作模式調(diào)整為直連法，將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的交變電流，一個輸出端與電線一端連接，另一端與接地電極連接。通過穿管器將導(dǎo)電電線送入管道內(nèi)，使電線另一端穿過管道，從管道另一端露出，現(xiàn)場有條件時，可將電線另一端接地，穿線法探測數(shù)據(jù)如表5所示。

穿線法探測數(shù)據(jù) 表5

(4)兩種探測方法結(jié)果對比

現(xiàn)場采用了兩種探測方法對目標(biāo)管線進(jìn)行了探測，兩種探測方法均能有效地對目標(biāo)管線進(jìn)行定位、定深，經(jīng)過現(xiàn)場量距記錄，參照《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，隱蔽管線點(diǎn)的平面位置探查中誤差和埋深探查中誤差分別不應(yīng)大于 0.05 h和 0.075 h，其中h為管線中心埋深，單位為毫米，當(dāng)h<1 000 mm時以 1 000 mm代入計(jì)算，且以2倍中誤差作為極限誤差，兩種探測方法數(shù)據(jù)差值如表6所示，測深圖如圖9所示。

兩種探方法數(shù)據(jù)差值表 表6

圖9 兩種探測方法測深圖

通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采用穿線法探測的深度均比導(dǎo)向儀探測的深，而且深度差值與管線深度沒有關(guān)系，我們可以把這種差值認(rèn)為是穿線法測深的誤差。經(jīng)過對比，兩種方法對管線隱蔽點(diǎn)的定位、定深誤差均小于技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的誤差，探測精度滿足技術(shù)規(guī)程要求。

4 結(jié) 語

本文通過對地下管線探測工作中的難點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，雖然目前城市地下管線分布復(fù)雜，管線的施工工藝差異很大，大管徑、非金屬及深埋管線日益增多，要探明管線的走向、埋深、連接關(guān)系已成為管線探測工作中的難點(diǎn)。但是，實(shí)際工作中可以針對不同的現(xiàn)場，借助不同探測設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，采用多種探測方法進(jìn)行交叉探測，同時認(rèn)真分析查閱相關(guān)資料，能夠更好地提高探測效率和數(shù)據(jù)精度。