非金屬管線探測的方法概述

劉春明

保定金迪地下管線探測工程有限公司，河北 保定 071051

摘要：對非金屬管線探測方法進(jìn)行概要總結(jié)，提出了多種探測技術(shù)方法，并對每種技術(shù)方法的基本原理、工作方法、優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：非金屬；管線；探測

An overview of methods for the detection of nonmetallic pipelines

LIU ChunMing

JINDI UNDERGROUND PIPELINE DETEDTION CO.,LTD

Abstract: This paper summarizes the method of nonmetal pipeline detection, proposes several detection methods, explains the basic principles, working methods, as well as the advantages and disadvantages of each technology.
Key Words: Nonmetal; Pipeline; Detection

一、前言

城市地下管線是城市的血脈和神經(jīng)，是城市正常運(yùn)行的保證。但由于各種原因造成地下管線家底不清、資料不全，在城市建設(shè)中因地下管線現(xiàn)狀不清引發(fā)安全事故。

近年來隨著城市化的不斷加快，城市地下管線材質(zhì)日益豐富，非金屬管線大量替代金屬管線。金屬管線本身導(dǎo)電、導(dǎo)磁，一般情況下與周邊介質(zhì)有明顯的物性差異，可以選用電磁感應(yīng)法等快速有效的方法。非金屬管線由于不導(dǎo)電、導(dǎo)磁，與周邊介質(zhì)物性差異小，對于有出入口的非金屬管線可以采用示蹤電磁感應(yīng)法，但對于沒有出入口的非金屬管線則需采用其他物探方法。本文對非金屬管線的探測方法進(jìn)行了概述，以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并希望能夠?yàn)槌鞘械叵鹿芫€探測工作者提供借鑒。

二、探地雷達(dá)

（一）基本原理

探地雷達(dá)是根據(jù)電磁波在地下傳播過程中遇到不同的地質(zhì)界面會(huì)發(fā)生反射的原理進(jìn)行的。一般情況下目標(biāo)管線和周圍介質(zhì)都存在物性（主要是電性）差異。

探地雷達(dá)將高頻電磁波以寬頻短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線送入地下，經(jīng)地質(zhì)界面或管線反射后返回地面，另一天線接收。

來自地質(zhì)界面的反射波其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電磁性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，由此可根據(jù)反射波的旅行時(shí)間（雙程走時(shí)）、幅度、波形及介質(zhì)電磁波速度等，推測地下管線的空間位置和埋深（見圖2.1）。已知管頂處反射波旅行時(shí)間、平均介質(zhì)電磁波速，則地下管線管頂埋深可由下式計(jì)算得到：

d₀=v·t₀/2

式中：  d_0------地下管線管頂埋深；

v ----為平均介質(zhì)電磁波速；

t₀----管頂處反射波旅行時(shí)間。

圖2.1  探地雷達(dá)工作原理示意圖

（二）基本工作方法

1、地面雷達(dá)

1）根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及資料調(diào)繪確定目標(biāo)管線的大概走向，沿管線走向垂直布設(shè)測線。

2） 波速測定：探測前在測區(qū)內(nèi)選擇已知深度管線測定地下介質(zhì)平均波速v（單位cm/ns）；

3）采樣時(shí)窗估算：探測深度h一般宜選擇為目標(biāo)深度的1.5倍，時(shí)窗選擇略有富余，寧大勿小。

2、孔中雷達(dá)

1）由于近地表電導(dǎo)率高，地面雷達(dá)的有效探測深度多在幾米范圍內(nèi)，不適于進(jìn)行深部探測。而孔中雷達(dá)可以通過鉆孔直接進(jìn)入地下深部（見圖2.2）。

圖2.2 孔中雷達(dá)探測原理及現(xiàn)場

2）孔中雷達(dá)與地面雷達(dá)的基本原理相同，包括雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，并內(nèi)置于不同的天線內(nèi)。

3）孔中雷達(dá)可以采用以下模式:跨孔、地面-孔中等模式。

4）孔中雷達(dá)是一項(xiàng)新的技術(shù)，多應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、核廢料掩埋場導(dǎo)水?dāng)嗔褞綔y等。該技術(shù)對解決大埋深非金屬管線提供了理論基礎(chǔ)和可能。

（三）注意事項(xiàng)

1）鄰近管線排除：城市復(fù)雜條件下應(yīng)首先對目標(biāo)管線周圍其它金屬管線或具備示蹤法條件的非金屬管線完成探測。

2）填土不密實(shí)：雷達(dá)斷面上的波形表現(xiàn)雜亂無章，目標(biāo)管線波形基本被覆蓋。可以利用開挖溝槽回填土與周圍土壤的差異探測管線大概位置，結(jié)合釬探探測管線深度。

3）地下長條形、橢圓形物體干擾：有些時(shí)候，在布設(shè)的雷達(dá)斷面上，有可能產(chǎn)生一些類似管線異常，為避免誤判，應(yīng)在探測異常斷面附近應(yīng)重新布設(shè)斷面以驗(yàn)證。

4）地下介質(zhì)介電常數(shù)受回填土、含水量等影響較大，因而應(yīng)對地下平均介質(zhì)波速v進(jìn)行經(jīng)常性驗(yàn)證。

5）地下管線埋深較淺時(shí)，時(shí)窗不宜設(shè)置過大，以有效突出管線反射信號；管線直徑較小時(shí)，天線移動(dòng)速度不能太快，否則圖像上會(huì)出現(xiàn)線狀強(qiáng)反射信號，而很難出現(xiàn)雙曲線特征，影響判讀。

6）雷達(dá)在電導(dǎo)率低、低渦流的介質(zhì)中特別適用。在含水率高的介質(zhì)中，電磁波易被吸收，有效測深不足。

7）管徑與可探測深度關(guān)系可以用以下估算：

Rv=0.08H    0＜H＜3m

Rv=0.50H    H≥3m

例如：2米深度，當(dāng)管徑小于160mm時(shí)基本不可探測。

3米深度，當(dāng)管徑小于1500mm時(shí)基本不可探測。

（四）優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：一種非破壞性技術(shù)，應(yīng)用范圍廣，效率較高，采用微機(jī)控制與成圖，圖像清晰直觀，適于探測各類材質(zhì)管線。

缺點(diǎn)：就地下管線探測而言，受回填土和鄰近非目標(biāo)管線的雜亂回波干擾較大，受探測場地平整度限制，探測深度有限。

三、示蹤法

示蹤法是電磁感應(yīng)法的一種特殊形式，包括示蹤探頭、示蹤線等。

（一）示蹤探頭

一種微型磁偶極子發(fā)射線圈，用于定位有出入口的非金屬管線。

（1）示蹤探頭追蹤

以探頭進(jìn)入管道的入口為起點(diǎn)，每隔一定間距，停止探頭前進(jìn)，進(jìn)行探頭的定位。

（2）示蹤探頭精確定位：

第一步：接收機(jī)表頭垂直于示蹤探頭軸向，沿示蹤探頭軸向移動(dòng)，在經(jīng)過探頭時(shí)出現(xiàn)三個(gè)峰值響應(yīng)。依次為次峰值—谷—峰值—谷—次峰值，主峰值點(diǎn)為示蹤探頭縱向峰值點(diǎn)。如圖3.1所示。

第二步：定位縱向峰值點(diǎn)后，接收機(jī)以縱向峰值點(diǎn)為中心，沿垂直于示蹤探頭軸線的方向移動(dòng)，橫向峰值點(diǎn)位置為示蹤探頭平面位置。如圖3.2所示。

3.1示蹤探頭縱向定位原理        3.2示蹤探頭橫向定位原理

（3）示蹤探頭深度測量

示蹤探頭縱向兩個(gè)谷值點(diǎn)距離的70%為示蹤探頭準(zhǔn)確深度。如圖3.3所示。

圖3.3示蹤探頭測深原理

（二）示蹤線

示蹤線法分兩種情況，一種是在非金屬管線鋪設(shè)過程中沿管線鋪設(shè)的金屬導(dǎo)線，如3.4所示；二是在有出入口的非金屬管線內(nèi)部穿入一根金屬導(dǎo)線，至少保證導(dǎo)線端部剝開1米左右，裸露出金屬線，以與管道內(nèi)汽水接觸，提供信號回路，如3.5所示。探測時(shí)，須使用發(fā)射機(jī)直接法對導(dǎo)線施加信號，其它探測方法同金屬管線電磁感應(yīng)法。

3.4隨管線埋設(shè)鋪設(shè)示蹤線                 3.5 空管內(nèi)穿入示蹤線

四、聲波法

（一）聲波傳導(dǎo)

由發(fā)射機(jī)（震蕩器）發(fā)射一定頻率的聲波信號，該信號由與管線連接的振動(dòng)器傳輸?shù)焦鼙诨蚬艿纼?nèi)流體上并沿管壁或管道內(nèi)流體向遠(yuǎn)端傳播，接收機(jī)（拾音器）在地面上捕捉該聲波信號，從而確定管線位置,如4.1所示。

該類設(shè)備包括發(fā)射機(jī)、震蕩器、接收機(jī)、拾音器、耳機(jī)等。

4.1聲波傳導(dǎo)探測原理

（二）聲波反射

其工作原理類似于探地雷達(dá)，只是發(fā)射機(jī)發(fā)射的是聲波、接收機(jī)接收的也是聲波，工作模式也是采取斷面掃描的方法，通過監(jiān)控反射波的強(qiáng)度、速度、時(shí)間間隔分析地下介質(zhì)變化探測地下管線。不同于探地雷達(dá)，聲波反射不受地下介質(zhì)電導(dǎo)率影響，但當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)不密實(shí)時(shí)探測效果受影響較大。

4.2聲波反射探測原理

五、地震波法

（一）基本原理

（1）地震波法是以地下各種介質(zhì)的彈性波波速及波阻抗差異為基礎(chǔ)，研究有人工震源（如錘擊）產(chǎn)生的地震波傳播規(guī)律，用來解決地下介質(zhì)分布狀況的一種物探方法。根據(jù)利用地震波的不同，又分為直達(dá)波法、折射波法、反射波法和瑞利波（面波）法，在地下管線探測中比較常用的是面波法或地震映像法。

5.1地震波法原理

（2）人工震源：如重錘、連續(xù)震動(dòng)源、氣動(dòng)震源等。

（二）適于探測的管道

用于探查直徑、埋深較大的金屬和非金屬管道、管溝、排水箱涵、人防巷道等。

（三）基本工作方法

（1）在野外觀測作業(yè)中，垂直于管道走向布置測線，沿測線等間距布置多個(gè)檢波器來接收地震波信號。

（2）依觀測儀器的不同，檢波器或檢波器組的數(shù)量少的有24個(gè)、48個(gè)，多的有96個(gè)、120個(gè)、240個(gè)等。

（3）每個(gè)檢波器組接收的信號通過放大器和記錄器，得到一道地震波形記錄，稱為記錄道。記錄器將放大后的電信號按一定時(shí)間間隔離散采樣，以數(shù)字形式記錄原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)可回放而顯示為圖形。

（4）常規(guī)的觀測是沿直線測線進(jìn)行，所得數(shù)據(jù)反映測線下方二維平面內(nèi)的地震信息。這種二維的數(shù)據(jù)形式難以確定側(cè)向反射的存在以及地質(zhì)體走向方向等問題，為精細(xì)詳查地層情況以及利用地震資料進(jìn)行地質(zhì)體描述，有時(shí)在地面的一定面積內(nèi)布置若干條測線，以取得足夠密度的三維形式的數(shù)據(jù)體，這種工作方法稱為三維地震勘探。三維地震勘探的測線分布有不同的形式，但一般都是利用反射點(diǎn)位于震源與接收點(diǎn)之中點(diǎn)的正下方這個(gè)事實(shí)來設(shè)計(jì)震源與接收點(diǎn)位置，使中點(diǎn)分布于一定的面積之內(nèi)。

（5）把數(shù)據(jù)下載到室內(nèi)計(jì)算機(jī)上，處理生成地震實(shí)測剖面圖圖或三維圖。

（四）優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：受介質(zhì)電導(dǎo)率影響較??；它適用于較大口徑深埋金屬、非金屬管線；淺部干擾管線影響不大。

缺點(diǎn)：探測鋼筋混凝土管線平面定位精度、埋深精度難以達(dá)到規(guī)范要求；探測塑料管線平面定位精度不高，難以測定深度；城市環(huán)境下受車輛等振動(dòng)、噪聲等影響大。

六、高密度電阻率法

（一）基本原理

1）電阻率法是以地下管線與周圍介質(zhì)之間導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過供電電極向地下供電，然后研究由于地下介質(zhì)、管線的存在引起的電場變化，如圖6.1所示。電阻率儀通過測量電極得到不同測點(diǎn)間電位差，借此計(jì)算各測點(diǎn)間的視電阻率。

6.1電阻率法原理示意圖

2）高密度電阻率法實(shí)際上是集中了電剖面法和電測深法。其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點(diǎn)，是一種陣列勘探方法，儀器采用程控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和電極控制，如圖6.2所示。

它可實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集，并能在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在接地條件較好的路段，可以用來探測一些深埋管道。

6.2電阻率法裝置示意圖

3）高密度電阻率法野外測量時(shí)將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上，利程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀便可實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動(dòng)采集。

（二）適于探測的管道

在接地條件較好的場地探測直徑較大的金屬或非金屬管道。

鋼、鑄鐵等金屬材質(zhì)管線或含金屬骨架的管道電阻率低于周圍土層電阻率，而塑料、橡膠、陶瓷等材質(zhì)管道的電阻率高于周圍土壤，這為分辨地下管道的電性差異提供了良好的基礎(chǔ)。因而，電阻率法即可以對金屬管線進(jìn)行探測，也可以對非金屬管線進(jìn)行探測。

（三）基本工作方法

（1）首先根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查或相關(guān)資料確定目標(biāo)管線的大致走向、深度、材質(zhì)、規(guī)模，以初步確定電極間距等參數(shù)。

（2）在已知區(qū)域根據(jù)初步確定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)后，經(jīng)過地形改正、壞點(diǎn)去除等預(yù)處理，使用反演軟件進(jìn)行反演成圖，與已知情況進(jìn)行對比，選擇參數(shù)，再對未知區(qū)域進(jìn)行探測。如圖6.3、6.4所示。

6.3電阻率法金屬管道模型及正演結(jié)果、反演結(jié)果

  6.4電阻率法非金屬管道模型及正演結(jié)果、反演結(jié)果

（3）施工現(xiàn)場測線布置：垂直待測地下管道并布設(shè)測線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果布設(shè)電極。

（4）通過供電電極向地下供電，然后通過測量電極得到不同測點(diǎn)間的電位差，借此計(jì)算出各測點(diǎn)間的視電阻率。

（5）數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)后，經(jīng)過地形改正、壞點(diǎn)去除等預(yù)處理，使用反演軟件進(jìn)行反演繪制地電斷面圖。

（6）在高阻區(qū)中解析、推斷低阻區(qū)，在低阻區(qū)中解析、推斷高阻區(qū)。對有相同特征規(guī)律的多個(gè)斷面中的低阻區(qū)或高阻區(qū)連線即為管線走向和埋深。

（四）優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：

與常規(guī)電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設(shè)置引起的故障和干擾，并且提高了效率。

2）能夠選用多種電極排列方式進(jìn)行測量，可以獲得豐富的有關(guān)地電斷面的信息。

3）野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，提高了數(shù)據(jù)采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)展，高密度電法資料的電阻率成像技術(shù)也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。

4）加大電極間距可以改變勘探深度，設(shè)計(jì)好電極間距，可以達(dá)到其它方法達(dá)不到的勘探深度。

（2）缺點(diǎn)：

1）在高密度電阻率法實(shí)際工作中，最大電極距的布置是根據(jù)所要勘探的深度決定的，為了能勘探到所需深度h，電極距必須大于3h。然而在地下管線探測中，往往不能漏測小異常體，這就要求點(diǎn)距要足夠小。因此既要考慮管線埋深，也要管線規(guī)格。

2）在城市復(fù)雜環(huán)境下，容易受外界各種因素影響，抗干擾能力差、探測精度不高，不能作為一種獨(dú)立方法對管線進(jìn)行探測，需要與其他方法綜合使用。

3）數(shù)據(jù)處理解釋較復(fù)雜。

4）是一種體積探測方法，當(dāng)埋深過大或體積過小，會(huì)影響探測效果。

5）城市環(huán)境下測線及電極布置受限較多，難以布設(shè)長距離測線、電極與地面耦合效果難以實(shí)現(xiàn)。

七、記標(biāo)法探測

（一）工作原理

記標(biāo)法是RFID射頻識別技術(shù)在地下管線的一種應(yīng)用，一般由記標(biāo)和記標(biāo)探知器兩部分組成。其工作原理是記標(biāo)在記標(biāo)探知器特定頻率磁場的激發(fā)下可產(chǎn)生同頻二次場，記標(biāo)探知器也可以接收記標(biāo)發(fā)射的同頻二次場。

7.1記標(biāo)法工作原理

（二）記標(biāo)的使用方法

在管線埋設(shè)的同時(shí)，將記標(biāo)埋設(shè)于管道的關(guān)鍵部位，查找管線時(shí)使用記標(biāo)探知器查找記標(biāo)，即確定了管線位置。

（三）現(xiàn)狀

目前應(yīng)用于地下管線的記標(biāo)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，通過記標(biāo)探知器將管線信息寫入或讀出記標(biāo)。

（四）優(yōu)缺點(diǎn)

由于RFID具有無需接觸、自動(dòng)化程度高、耐用可靠、識別速度快、適應(yīng)各種工作環(huán)境等，在非金屬管線的定位、標(biāo)識方面具備其它物探方法不可比擬的優(yōu)勢。但目前記標(biāo)的成本、價(jià)格仍比較高，在國內(nèi)應(yīng)用處于起始階段，現(xiàn)狀管線埋設(shè)記標(biāo)的不多。

八、其它方法

地下管線慣性定位技術(shù)是一種管內(nèi)測量定位技術(shù)，不受管線埋深、材質(zhì)、周邊介質(zhì)與地表環(huán)境影響，但需要管道兩端開口，因此，適合在管道覆土竣工后投入使用采用。

釬探是在采取其它物探方法初步確定管線概略位置后，對埋深不超過3米，規(guī)格較大的管道可以采取多點(diǎn)釬探的方法。

鉆探是在采取其它物探方法初步確定管線概略位置后，對埋深超過3米，對于大規(guī)格管線選取無損鉆探設(shè)備進(jìn)行精探，如靜力觸探鉆機(jī)。該機(jī)通過液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電測探頭勻速地壓入地下，從而通過儀器記錄其深度下土地層對探頭的貫入阻力。

參考文獻(xiàn)

［1］ 袁厚明.地下管線檢測技術(shù). ［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［2］ 劉國興.電法勘探原理與方法. ［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［3］ 莊建林.地下非金屬管線探查方法探討. ［C］.數(shù)字測繪與GIS技術(shù)應(yīng)用研討交流會(huì)論文集，2008.

［4］ 何偉等.高密度電法在探測地下金屬與非金屬組合管線中的應(yīng)用. ［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2008（1）；

［5］ 張永命.地下管線高精度探測技術(shù). ［R］.