地下管線探測中的物探方法試驗和探測儀器一致性校驗

杜良法*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球探測與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2.中國冶金地質(zhì)總局山東局山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 251010)

1 前言

地下管線是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，為了獲取準(zhǔn)確可靠的地下管線空間信息和屬性信息，多種物探方法和物探技術(shù)被應(yīng)用于地下管線探測中。解決淺地表的地質(zhì)問題，物探方法具有無損、準(zhǔn)確、高效和便捷的優(yōu)勢，但也存在多解性和局限性的特點，這些特點是產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因，而方法試驗和一致性校驗是消除系統(tǒng)誤差的主要手段。通過物探方法試驗和探測儀器的一致性校驗，針對不同的地球物理條件，合理選擇有效的物探方法和儀器設(shè)備，是準(zhǔn)確獲取地下管線信息數(shù)據(jù)的有效途徑。

2 方法試驗與儀器一致性校驗的理論基礎(chǔ)

2.1 地下管線探測技術(shù)特點

城市地下管線具有隱蔽性和復(fù)雜性，利用物探技術(shù)進(jìn)行地下管線探測，具有無損、準(zhǔn)確、高效和便捷的優(yōu)勢，但物探技術(shù)也存在多解性和局限性的特點［1］。物探技術(shù)的多解性主要表現(xiàn)在兩個方面:一是不同地質(zhì)體(目標(biāo)管線)在條件適宜時，可產(chǎn)生相同的物探異常特征(正演多解性);二是多種物探異常特征反映的是同一地質(zhì)體(反演多解性)。這主要是由于地球物理場固有的等效性、觀測數(shù)據(jù)的離散性和有限性以及觀測場包含的誤差和其他場源的影響，導(dǎo)致了地球物理探測結(jié)果的不唯一［2］。能夠被用于地下管線探測的物探方法和物探技術(shù)很多，每一種物探方法和物探技術(shù)都有其應(yīng)用條件，而地下管線的隱蔽性和地球物理條件的復(fù)雜性(近間距平行管線、特深管線、非金屬管線、大口徑管線、地面建(構(gòu))筑物鋼筋網(wǎng)、導(dǎo)電覆蓋層與導(dǎo)電圍巖、金屬護(hù)欄、空中電纜線、復(fù)雜地形地貌等)，使復(fù)雜的地球物理條件變成物探技術(shù)使用的限制因素，這就是物探技術(shù)的局限性。

在城市地下管線探測中，金屬管線探測儀由于探測結(jié)果準(zhǔn)確、效率高和成本低，而被大量的投入使用，成為獲取城市地下管線探測成果數(shù)據(jù)的主要工具。多家單位(業(yè)主、監(jiān)理、各施工單位等)所投入的管線探測儀，廠家不同、型號各異，由于儀器探測原理的特殊性，目前還沒有專業(yè)的權(quán)威機(jī)構(gòu)對其精度狀況進(jìn)行鑒定，必須靠現(xiàn)場儀器的一致性校驗來標(biāo)定精度狀況，使所投入的管線探測儀處于同等精度的工作狀態(tài)，禁止探測精度較差的管線儀投入使用。

2.2 誤差分析理論

地下管線探測所產(chǎn)生大量的探測數(shù)據(jù)，由于各種因素的影響，必然存在觀測誤差，觀測誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。管線探測的系統(tǒng)誤差可分為:方法誤差、干擾誤差、儀器誤差、操作誤差。方法誤差是由于所使用的探測方法或技術(shù)不合理而引起的誤差，物探技術(shù)的特點表明，使用條件不當(dāng)時，可產(chǎn)生較大的方法誤差;干擾誤差是指在復(fù)雜條件下各種常見的干擾因素所引起的探測誤差，城市地下管線探測中，干擾因素普遍存在;儀器誤差是由于探測儀器本身的缺陷而引起的誤差;操作誤差是因為作業(yè)人員的操作不規(guī)范造成的誤差。偶然誤差是在相同觀測條件下，由于各種偶然因素，使對同一物理量進(jìn)行多次觀測的結(jié)果產(chǎn)生時大時小的誤差。偶然因素的影響一般是微小的，而且難以確定是哪個因素產(chǎn)生以及具體影響的大小，因此偶然誤差難以找出原因而予以排除，只能通過增加平行觀測的次數(shù)，使觀測結(jié)果的算術(shù)平均值盡量接近真值。中誤差作為衡量觀測精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，主要反映的是偶然誤差。系統(tǒng)誤差影響觀測精度，系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，可以通過一定的方法找出，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┫蚪档推鋵χ姓`差(觀測精度)的影響［3］。

2.3 消除系統(tǒng)誤差的方法

在地下管線探測中，由于物探技術(shù)的特點，觀測誤差是客觀存在的，但觀測誤差中的系統(tǒng)誤差應(yīng)該通過一些措施，找出原因并予以消除，使中誤差的計算僅包含偶然誤差，真實、客觀地反映探測成果的精度。系統(tǒng)誤差的消除，可通過物探方法試驗和儀器的一致性校驗來實現(xiàn)，系統(tǒng)誤差消除方法，如表1所示。

系統(tǒng)誤差消除方法一覽表 表1

3 方法試驗與一致性校驗

3.1 物探方法試驗

城市地下管線具有隱蔽性，且種類繁多，其材質(zhì)、埋設(shè)方式以及所處的地電環(huán)境各不相同，復(fù)雜的干擾因素隨處可見。通過物探方法試驗，了解地下管線和環(huán)境的地球物理特征、掌握復(fù)雜條件和各種干擾因素、確定所選擇物探方法和儀器的有效性和相關(guān)參數(shù)，使探測成果滿足精度要求。物探方法試驗應(yīng)該從兩個方面來考慮。

(1)綜合物探方法試驗

可用于地下管線探測的物探方法很多，主要有電磁法、電法、磁法、地震法等。由于物探方法的多解性和局限性，每一種物探方法都有其適用條件，它們所利用的地球物理條件和物性參數(shù)也各不相同。一般情況下，電磁法技術(shù)探測金屬管線，效果明顯。在復(fù)雜情況下，有時電磁法技術(shù)探測效果不理想，可利用地下管線與周圍介質(zhì)的介電性、磁性、彈性和溫度差別，采用電磁波法、磁法、地震法和紅外輻射法等方法，通過各種方法的試驗工作，選擇有效的物探方法投入使用。綜合物探方法在解決復(fù)雜條件下的疑難問題時，具有一定的效果，在城市地下管線普查中也取得了不少成果的案例。例如，岳亞東利用地震波法中的COD法(單道共偏移法)探測非金屬排水管道［4］，王水強(qiáng)等人利用磁梯度法探測深度(10.5 m)較大的非開挖金屬輸油管道［5］，均取得了理想的探測效果。

(2)電磁法技術(shù)方法試驗

電磁法技術(shù)較為成熟，因其準(zhǔn)確、快速和便捷，在城市地下管線探測中被廣泛使用，目前各施工單位所進(jìn)行的方法試驗主要是針對電磁法技術(shù)。電磁法技術(shù)有許多的工作方式，按激發(fā)方式可分為:直接法、感應(yīng)法、夾鉗法、工頻法、甚低頻法等;按場源分類可分為:主動源和被動源;按目的不同(解決復(fù)雜問題時使用的方法)可分為:示蹤線法、選擇激發(fā)法、動源感應(yīng)法、旁側(cè)感應(yīng)法、壓線感應(yīng)法(水平、垂直、傾斜)和電流識別法等。

通過方法試驗，一方面根據(jù)不同的地球物理條件，選擇電磁法技術(shù)最有效的工作方式，取得最佳的探測效果;另一方面要確定電磁法技術(shù)相應(yīng)的工作參數(shù)，如:最小收發(fā)距、最佳收發(fā)距、最佳發(fā)射頻率、合適的發(fā)射功率和合理的修正系數(shù)，保證探測精度［6］。下圖為山東正元公司在某城市地下管線探測前進(jìn)行的最佳收發(fā)距試驗曲線，試驗儀器為RD4000。從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)射功率50%，增益40時，儀器的最佳收發(fā)距為20 m。

圖1 最佳收發(fā)距試驗曲線

3.2 儀器一致性校驗

工程項目施工前，對于長期擱置后投入生產(chǎn)的、經(jīng)過長途搬運后用于生產(chǎn)的以及經(jīng)過檢修或調(diào)節(jié)后又用于生產(chǎn)的金屬管線探測儀均應(yīng)進(jìn)行一致性校驗。管線探測儀器的一致性校驗是為了消除由于儀器缺陷而造成的系統(tǒng)誤差，使投入使用的管線探測儀處于同等精度的工作狀態(tài)，選擇有效的儀器投入生產(chǎn)。

儀器的一致性校驗應(yīng)該設(shè)立總校點和分校點。總校點是所有探測單位進(jìn)行儀器一致性校驗的地點，分校點是管線探測單位在自己測區(qū)內(nèi)對本單位投入使用管線探測儀進(jìn)行一致性校驗所選取的校驗點。各探測單位應(yīng)在各自測區(qū)分校點進(jìn)行一致性校驗的基礎(chǔ)上，選擇一致性較好的儀器在總校點上進(jìn)行校驗。分校點有兩個重要作用，一是定期校驗儀器;二是對于后期投入的儀器，在分校點上進(jìn)行一致性校驗，合格后投入使用［7］。

多臺儀器的總觀測精度的計算公式為:

式中:△Vi——某次觀測值(包括參與計算平均值的所有數(shù)據(jù))與該點各次觀測平均值之差;

m——總觀測次數(shù)，即參加校驗的所有點上全部觀測次數(shù)之和;

n——參與校驗的點數(shù)。

當(dāng)總觀測精度ε在數(shù)值上不超過工作精度的1/2時，可以認(rèn)為儀器一致性良好。當(dāng)總觀測精度ε超過工作精度的1/2時，要及時查明存在缺陷的儀器，并禁止投入使用。這里的工作精度指的是《地下管線探測技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的管線點探測限差要求，即:平面位置限差δts=0.10h;埋深限差δth=0.15h(h為目標(biāo)管線的中心埋深)。

4 結(jié)論與建議

從地下管線探測技術(shù)特點和誤差分析理論可以得出，在開展地下管線探測工作前，對物探方法和物探技術(shù)要進(jìn)行方法試驗，對投入的管線探測儀要進(jìn)行一致性校驗，消除系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，采用最有效的物探方法和技術(shù)，在合理的物性參數(shù)基礎(chǔ)上，取得理想的探測效果。

在進(jìn)行物探方法試驗和儀器一致性校驗時，還要注意以下幾點:

(1)不但要對常用的電磁法技術(shù)進(jìn)行方法試驗，還要對測區(qū)內(nèi)的疑難問題進(jìn)行綜合物探方法試驗。

(2)儀器一致性校驗應(yīng)該提倡采用總校點和分校點的工作模式，分校點的設(shè)立，對儀器進(jìn)行全面、及時的校驗，具有重要作用。

［1］李學(xué)軍，杜良法.物探在保障城市地下管線安全中應(yīng)用問題的思考［J］.城市勘測，2010(增刊2):44～47

［2］劉士毅，田黔寧，趙金水等.解決物探異常解釋多解性的一次嘗試［J］.物探與化探，2010，34(6):691～696

［3］吳石林，張玘.誤差分析與數(shù)據(jù)處理［M］.北京，清華大學(xué)出版社，2010.72 ～84

［4］岳亞東.COD法在非金屬管線探測中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2003，22(7):110 ～115

［5］王水強(qiáng)，黃永進(jìn)，李風(fēng)生等.磁梯度法探測非開挖金屬管線的研究［J］.工程地球物理學(xué)報，2005，2(5):353～357

［6］李鳳之.淺談地下管線探測方法試驗［J］.城市勘測，2009(增刊):152～154

［7］杜良法，王少兵.城市地下管線普查中金屬管線探測儀一致性校驗問題探討［J］.華北科技學(xué)院報，2008，5(2):40～47