近間距平行地下管線探測方法研究

王 勇，陳 偉

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130026;2.山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101;3.北京中勘國檢工程技術(shù)有限公司，北京100084)

近間距平行地下管線探測方法研究

王 勇1，2，陳 偉3

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130026;2.山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101;3.北京中勘國檢工程技術(shù)有限公司，北京100084)

近間距平行地下管線的探測是當(dāng)今管線探測的四大難點(diǎn)之一。結(jié)合工程實(shí)例，利用夾鉗法和壓線法對近間距平行地下管線進(jìn)行探測與分析，并結(jié)合直讀法和特征點(diǎn)法(70%法)對管線的定位和定深進(jìn)行討論與總結(jié)。

近間距;平行地下管線;壓線法;特征點(diǎn)法

一、引 言

城市地下管線是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代化城市高質(zhì)量、高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證［1-2］。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，地下管線建設(shè)也突飛猛進(jìn)，這給地下管線的建設(shè)、管理、維護(hù)等工作提出了新的要求，也給地下管線的探測工作提出了新的挑戰(zhàn)。

由于城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地下管線的布設(shè)越來越密集、多樣，并且因管線所處的地段、空間越來越復(fù)雜及布設(shè)時(shí)間的不同，很多地段多種管線密集并行、交叉分布甚至重疊。這給城市管線的探測工作造成了極大的干擾，再加之城市交通環(huán)境、空間電磁以及工業(yè)電流和離散電流等諸多因素的影響［3］，使得城市管線探測工作的難度進(jìn)一步增大，所以加強(qiáng)對城市地下管線探測方法的研究大有必要。

近間距平行地下管線的探測是管線探測的四大難題之一［4］，本文結(jié)合壓線法、夾鉗法等方法對近間距平行地下管線實(shí)測資料進(jìn)行了分析與研究，同時(shí)對由于多條密集平行管線干擾造成的測深誤差及平面定位錯誤進(jìn)行了分析，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

二、基本方法與原理

地下管線探測的基本原理主要是以地下管線與其周圍介質(zhì)的物理性質(zhì)差異(如密度、速度、電性、磁性、導(dǎo)熱性等)為物質(zhì)基礎(chǔ)，采用適當(dāng)?shù)牡厍蛭锢矸椒y量各種物理場的特征，進(jìn)而達(dá)到對地下管線的定位和定深等目的［5］。

地下管線的精確定位與定深是城市地下管線探測的核心問題，目前定位的方法有直接法、夾鉗法和感應(yīng)法。定深的方法有直讀法、精確定深法［6］。

1.直接法

直接法也叫充電法，是將發(fā)射信號的輸出端直接連接在被測管線上，通過改變接地或充電方向盡量讓電流沿目標(biāo)管線流動，利用接收機(jī)接收產(chǎn)生的交變電磁場。根據(jù)連接的方式可以分為單端充電法和雙端充電法［6-8］。

2.夾鉗法

夾鉗法是將備用的環(huán)形夾鉗套在被測金屬管線上，通過夾鉗形成的環(huán)形磁場直接耦合到被測管線上，并產(chǎn)生感生電流，用接收機(jī)接收被測管線的信號(如圖1所示)。

當(dāng)英格曼神甫從十字架前面站起來，思維和知覺一下子遠(yuǎn)去，他知道自己處在虛脫的邊沿上，疲勞、饑餓、沮喪消耗了一多半的他，而他剩下的生命力幾乎不能完成他馬上要說的、要做的。他將要說的和做的太殘忍了，為了保護(hù)一些生命，他必得犧牲另一些生命。那些生命之所以被犧牲，是因?yàn)樗齻儾粔蚣?，是次一等的生命，不值得受到他英格曼的保護(hù)，不值得受到他的教堂和他的上帝的保護(hù)。他被迫作出這個(gè)選擇，把不太純的、次一等的生命擇出來，奉上犧牲祭臺，以保有那更純的、更值得保存的生命。

圖1 夾鉗法示意圖

3.感應(yīng)法

感應(yīng)法是通過發(fā)射機(jī)發(fā)射線圈產(chǎn)生一次電磁場，被測管線受一次電磁場感應(yīng)產(chǎn)生二次電磁場，利用接收機(jī)接收被測管線產(chǎn)生的二次場信號來進(jìn)行管線探查(如圖2所示)。根據(jù)壓制干擾管線的方式不同，有垂直壓線法、水平壓線法和傾斜壓線法［8-9］。

圖2 感應(yīng)法示意圖

(1)直壓線法(水平偶極子)

將發(fā)射機(jī)呈直立狀態(tài)，置于管線的正上方，可突出目標(biāo)管線的異常，但當(dāng)兩管線的間距較近時(shí)效果不好。

(2)平壓線法(垂直偶極子)

將發(fā)射機(jī)呈平臥狀態(tài)，置于管線的正上方，可壓制地下管線的干擾，是區(qū)分平行管線的有效手段。

(3)斜壓線法(傾斜偶極子)

當(dāng)相鄰管線間距較小時(shí)，不宜采用垂直壓線法，而采用水平壓線法探測效果也不一定理想。此時(shí)采用傾斜壓線法能取得較好的效果，即發(fā)射機(jī)線圈傾斜使其與干擾管線不耦合，可達(dá)到既能抑制干擾管線的信號，又能增強(qiáng)目標(biāo)管線的異常。

4.直讀法和精確定深法

直讀法是利用接收機(jī)中上、下兩個(gè)垂直線圈(線圈面垂直)分別接收管線正上方產(chǎn)生的磁場水平分量值，根據(jù)深度計(jì)算公式經(jīng)儀器計(jì)算電路，求得管線埋深，由顯示器直接顯示深度值。精確定深法常用的有45°法、特征點(diǎn)法。

儀器極小值定位后，使接收探頭與地面成45°角沿垂直管線走向的方向移動，當(dāng)儀器出現(xiàn)零值(或極小)點(diǎn)后，零值點(diǎn)到管線在地面投影位置的距離就是管線的埋深(如圖3所示)。

圖3 45°法測深示意圖

(2)特征點(diǎn)法

特征點(diǎn)法基于探測設(shè)備的不同而不同，較常見的有80%法、70%法、50%法、25%法等。70%法是一種經(jīng)驗(yàn)求深法(如圖4所示)，即峰值點(diǎn)兩側(cè)70%極大值處兩點(diǎn)之間的距離為管線的埋深。

圖4 特征點(diǎn)法(70%法)示意圖

三、工程實(shí)例分析

本文結(jié)合工程實(shí)例，采用壓線法和夾鉗法，利用不同的發(fā)射頻率，對近間距平行地下管線的探測效果進(jìn)行了分析與比較。同時(shí)利用直讀法和特征點(diǎn)法(70%法)對管線埋深的探測誤差進(jìn)行了分析。

1.管線埋設(shè)基本情況

試驗(yàn)對象為上海某地間距為1.0 m的并行給水管道和電力直埋電纜。其中，給水管道的管徑為300 mm，材質(zhì)為鑄鐵，埋深1.1 m;電力直埋電纜埋深0.76 m，如圖5所示。

圖5 管線平面示意圖

2.壓線法與夾鉗法結(jié)果分析

圖6和圖7為水平壓線法所測得的管線異常曲線，發(fā)射器分別水平放在電力直埋電纜和給水管道正上方，分別用 80 kHz、38 kHz、9.5 kHz的發(fā)射頻率發(fā)射信號。根據(jù)圖6的異常曲線可以清晰地分辨出電力直埋電纜的位置，而未觀察到給水管線的異常，當(dāng)發(fā)射頻率越高時(shí)，異常越明顯。從圖7的異常曲線中雖然能分辨出兩個(gè)異常，但異常的位置偏離兩條管線的實(shí)際位置，即不能根據(jù)異常的位置來識別管線的位置。

圖6 管線異常曲線(水平壓線法)

圖7 管線異常曲線(水平壓線法)

圖8和圖9為垂直壓線法所測得的管線異常曲線，發(fā)射器分別垂直放在電力直埋電纜和給水管道正上方，分別用 80 kHz、38 kHz、9.5 kHz的發(fā)射頻率發(fā)射信號。從異常曲線中可以看到，采用垂直壓線法，無論是壓制給水管線的信號，還是壓制電力直埋電纜的信號，異常曲線圖上顯示的基本是單峰異常，且異常位置并不位于目標(biāo)管線的正上方，而是位于兩條管線之間靠近電力直埋電纜一側(cè)。

圖8 管線異常曲線(垂直壓線法)

圖10為傾斜壓線法所測得的管線異常曲線，發(fā)射器位于電力直埋電纜和給水管道之間，分別用80 kHz、38 kHz、9.5 kHz的發(fā)射頻率發(fā)射信號。從三種發(fā)射頻率的異常曲線可以看到，采用傾斜壓線法探測電力直埋電纜時(shí)，從異常曲線中能夠分辨出其異常，但采用38 kHz的發(fā)射頻率探測的結(jié)果，探測的平面誤差要小于80 kHz和9.5 kHz。

圖9 管線異常曲線(垂直壓線法)

圖10 管線異常曲線(傾斜壓線法)

圖11為夾鉗法所測的管線異常曲線，夾鉗夾在給水管線上，發(fā)射器發(fā)射頻率為38 kHz。采用夾鉗法探測時(shí)，可以對目標(biāo)管線——給水管線施以非常易識別的信號，且信號對并行的電力電纜耦合很少。從異常曲線圖中，可比較清晰地分辨出給水管線的位置，而電力電纜未見異常反映。

圖11 管線異常曲線(夾鉗法)

3.埋深測量結(jié)果分析

本文采用了直讀法和特征點(diǎn)法(70%法)對管線的埋深進(jìn)行了測量，計(jì)算并分析了不同的激發(fā)方式下所測得的管線埋深，具體結(jié)果如表1所示。

表1 管線埋深測量試驗(yàn)結(jié)果

分析表1可以看到:

1)采用70%法測量的精度要高于直讀方法。所有70%法測量的結(jié)果其精度均符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》(CJJ61—2003)［10］的規(guī)定要求;而直讀法測量的大部分結(jié)果都不能符合規(guī)定的精度要求。

2)直讀測量直埋電纜的埋深時(shí)，水平壓線法的測量結(jié)果均符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求;傾斜壓線法的測量結(jié)果基本符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求;而垂直壓線法的測量結(jié)果則都不符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求。

3)給水管線的埋深不宜采用直讀測量方法。

四、結(jié) 論

通過實(shí)例分析，綜合所有的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:

1)近間距并行管線所對應(yīng)的管線組合比較復(fù)雜，不能簡單地根據(jù)異常峰值的數(shù)量來判斷有多少條管線。對于近間距并行的管線，可通過改變激發(fā)方式來進(jìn)行探測。各種探測方法各有所長，亦有局限之處，使用時(shí)應(yīng)注意方法的應(yīng)用條件。

2)如果現(xiàn)場管線有出露，或有管線的附屬物時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選擇夾鉗法探測該管線，然后根據(jù)現(xiàn)場條件選擇相應(yīng)的探測方法探測其他管線。

3)與其他壓線方法相比，傾斜壓線法受現(xiàn)場條件的限制少，操作簡單，取得的探測效果也比較好，是一種很有效的實(shí)用探測方法，可作為近間距并行管線探測的主要方法之一。采用傾斜壓線法探測時(shí)，適宜選擇較高的工作頻率進(jìn)行激發(fā)。

4)采用水平壓線法探測時(shí)，如果目標(biāo)管線上有窨井，應(yīng)優(yōu)先選擇將發(fā)射機(jī)放在窨井中，并選擇較高的發(fā)射頻率進(jìn)行信號激發(fā);探測電纜時(shí)，適宜選用較低的發(fā)射頻率。

5)大多數(shù)情況下，采用垂直壓線法探測，基本都能夠分辨出兩條并行的地下管線。

6)在測量管線埋深時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇70%法來測量管線的深度，其測量精度一般高于直讀法，尤其當(dāng)測量的對象是管道時(shí)更應(yīng)如此。

總之，加強(qiáng)對近間距平行地下管線探測方法的研究，有利于城市管線探測工作的開展，在進(jìn)行復(fù)雜情況下的管線探測時(shí)，應(yīng)結(jié)合與之相應(yīng)的方法技術(shù)進(jìn)行探測，確保地下管線探測的精確定位。

［1］閆振寧，于會山，宋審宇.地下非金屬管線探測方法分析［J］.聊城大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，22(1):44-46.

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Research on Detection of Parallel Underground Pipeline with Small Intervals

WANG Yong，CHEN Wei

0494-0911(2011)03-0022-04

TU990.3

B

2011-01-21

王 勇(1965—)，男，山東肥城人，博士生，教授級高級工程師，研究方向?yàn)槌鞘械乩硇畔⒐こ碳夹g(shù)及其應(yīng)用。