綜合物探技術在地下管線探測中運用分析

林標太

【摘要】隨著城市化進程的不斷推進，我國各地區(qū)的地下管線系統(tǒng)日益龐大，地下管線探測的受關注程度也不斷提升。基于此，本文簡單介紹常用物探技術，并探討綜合物探技術在地下管線探測中的具體應用，供業(yè)內(nèi)人士參考。

【關鍵詞】綜合物探技術;地下管線探測;探地雷達【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

綜合物探技術能夠對地下管線分布情況開展探查及測繪，不同管線的埋設位置及深度可由此明確，這能夠為各類工程建設提供有力依據(jù)。為保證綜合物探技術的應用取得預期效果，正是本文的研究目標。

1、常用物探技術

1.1基于電磁感應的物探技術的應用

電磁感應法的主要應用原理為：充分利用礦石、巖石的導電性、導磁性、介電性方面存在的差異，將之作為“物質基礎”，應用電磁感應原理，通過多元方式（人工觀測或借助設備觀測），對天然形成或人工合成的電磁場的空間分布、時間或頻率變化的規(guī)律進行觀測，最終根據(jù)對應物質的參數(shù)的差異，對探測區(qū)域地下土層的成分構成進行確定。具體而言：第一，眾所周知，金屬物質的核心特性為“導電性”，但“導電”過程的實現(xiàn)必須建立在一定的前提條件之上。如導電的金屬管線周圍必須存在或強或弱的磁場，應用電磁感應原理，完成對該磁場對外發(fā)射信號的接收之后，可以判斷管線當前存在的位置、埋深等?？傮w來說，此種方法是目前公認的探測地下金屬管線最常見、最有效的方式。第二，基于電磁感應的物探技術的適用范圍包含：具備一定導電性能的金屬管線（如現(xiàn)代生活中常見的電纜、光纜、鑄鐵給水管等，內(nèi)部均含有金屬材質）。第三，為了在物探過程中更加清晰地找出目標管線，需通過人工方法激發(fā)管線中的電流（管線的類型存在很大的差異，故針對不同類型的管線需采用不同的激發(fā)方式）。如針對管徑較大的金屬管進行電流激發(fā)時，適合使用直連法，即借助導線，實現(xiàn)管線儀發(fā)射機和管道的直接連接，使具有一定頻率的電流能夠流經(jīng)管道。在此狀態(tài)下，探測人員可以對接收機接收管線中的電流產(chǎn)生的磁場進行有效利用，達到探測管線位置及埋深的目的。

1.2基于電測波的物探技術的應用

但地下管線的制成材質不可能全都是金屬，一些經(jīng)由化學工藝合成的塑料材質同樣在地下管線中得到了廣泛應用。為有效探測非金屬材質制成的地下管線，最常用的物探方法為電磁波法。此種方法的原理實際上源于仿生學——蝙蝠通過向外發(fā)射超聲波，接觸物體后反饋相關信息，從而避開前方障礙物。但電磁波法與蝙蝠發(fā)出超聲波進行探測的過程也存在一定的差異，即蝙蝠發(fā)出的超聲波僅僅是為了確定前方是否有障礙物，其發(fā)出的超聲波的作用較為單一，無法對觸碰到的障礙物的具體類型進行分析。超聲波法在一定程度上具備“已知性”，即探測人員首先需要明確探測區(qū)域地下埋設的管線由何種材質制成，當電磁波與之發(fā)生“碰撞”之后，根據(jù)反饋得到的相關參數(shù)，通過查表對照的方式，首先能夠確認電磁波觸碰到的地下管線是否為探測目標，若答案是肯定的，則可進一步對位置、埋深等情況進行確定。此種方法的應用原理為：①在地面選擇合適位置布置測線;②使用探地雷達，借助其發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，接收天線（接收管線）會對成功反射的電磁波進行接收，并根據(jù)“時程關系”對管線位置、深度進行分析。一般而言，測線布置需滿足如下標準：測線與管道的走向之間應符合“垂直”的關系，且不同測量點之間的最佳間距應控制在0.05m。經(jīng)過采集的原始數(shù)據(jù)需依次經(jīng)過“一維濾波→靜校正→增益→二維濾波→時深轉換→圖像顯示”，最終得到相關結果。

1.3基于瞬變電磁的物探技術的應用

一些地下管道常年所處的地下區(qū)域常年面臨較為復雜、臟亂的自然環(huán)境，導致管線內(nèi)可能含有大量雨水、污物。針對此類型的管線進行探測時，為保證探測結果的精準程度，可易世勇基于瞬變電磁的物探技術。具體流程為：①在無需設置接地回線（即磁源）的情況下，首先向地下發(fā)送一次場（一次脈沖電磁場），目的在于：對地層介質進行激勵，有助于順利感應到二次電磁場;②利用線圈完成對二次電磁場的接受感應之后，圍繞響應信息進行分析，最終達到探測地下管線目標的目的。

2、物探技術的具體應用-以探地雷達為例

2.1探地雷達應用方法

在基于探地雷達的地下管線探測中，需首先開展相關管線資料收集，以此初步判斷目標管線位置，這一判斷結果用于測算布設，探地雷達用于探測各條測線數(shù)據(jù)，目標管線的埋深和位置可基于得到的探測圖像進行判斷。測線布設需保證目標管線的可能走向與測線方向垂直，可能的目標管線分布位置需要由測線長度覆蓋，一般需要涉及兩側各2m范圍。選擇平坦地面作為測線位置，不得存在障礙物和金屬物，盡量選擇方磚及泥土地面，瀝青地面需要避開。一般需要開展多條測線布設，如目標管線無法準確判斷，綜合判斷需通過對多條鄰近測線的布置完成，具體如圖1所示。

以圖2所示的管線為例，拋物線最高點位置為目標管線所處平面位置，由于地下管線探測目標多為圓柱形管線，用于這類管線探測的探地雷達能夠得到拋物線形狀的電磁波回波信號，受離地面距離最近的管線中央位置影響，管線位置為該拋物線頂端所在處。拋物線最高點對應深度能夠直觀展示地下管線埋深，結合圖2進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該圖的縱軸為傳遞電磁波信號時間，管線準確埋深需結合周圍土壤等介質中電磁波的傳播速度確定，電能受到不均勻的土壤介質影響，一般選擇對比測量法進行埋深計算，計算公式為：

上式中的T、H、、分別為探地雷達圖像上目標管線對應傳播時間、目標管線埋深、探地雷達圖像上已知管線傳播時間、已知管線埋深。

2.2實例分析

目標管線所處土壤環(huán)境直接影響探地雷達影響效果，以某路段探地雷達的具體應用為例，得到的探地雷達圖像存在顯著拋物線特征，管線位置得到明顯展示，結合現(xiàn)場勘查和已有資料可以確定，圖像中的拋物線對應中水管線，該管線為聚氯乙烯材質。金屬探測儀無法完成地下聚氯乙烯材質管線的探測，但探地雷達能夠較好完成該任務，準確獲取管線埋深及位置，可見非金屬管線探測中探地雷達的應用價值較高;以圖3所示的某夏季旱地中采集的探地雷達圖像為例，探測區(qū)域存在2m管徑、1.8m埋深的排污管線，但在多次重復探測中，正常工作的探地雷達未得到顯著回波信號，管線位置受此影響無法準確判斷。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，之所以探地雷達的應用未能取得預期效果，主要是由于旱地較為疏松且存在較高的土壤含水量，在較為明顯的電磁波吸收下，目標管線反射信號無法由探地雷達天線獲取，目標管線位置受此影響無法準確判斷，因此必須重視土壤環(huán)境對地下管線探測帶來的影響。

圍繞上述探地雷達應用的失敗案例進行分析可以發(fā)現(xiàn)，探地雷達的應用效果直接受到土壤含水率影響，雨量較多的季節(jié)及較高的土壤含水率帶來的影響較為直接，探地雷達此時難以獲取有效信息。而在較為干燥的土壤中，由于吸收電磁波較少，探地雷達具備更優(yōu)秀應用效果。在基于高頻電磁波的探測過程中，土壤等介質的電導率與對電磁波的吸收系數(shù)成正比，具體表示為：

上式中的、、分別為對電磁波的吸收系數(shù)、電導率、介電常數(shù)，可見增大的電導率對應存在同步提升的對電磁波的吸收系數(shù)，全部被土壤吸收的電磁波會導致探地雷達無法取得預期應用效果。圍繞土壤含水量與電導率的關系進行分析可以發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)增加的土壤含水量對應存在同步增加的電導率，這正是土壤含水率較高會影響探地雷達應用效果的原因所在。如土壤存在不變的電導率，存在較小介電常數(shù)時，土壤會大量吸收電磁波并影響探測效果，反之則能夠提升探測效果。空氣、水、雜填土、瀝青、混凝土的介電常數(shù)分別為1、81、7～18、3～5、6.4，對應波速分別為0.3、0.03、0.07～0.11、0.13～0.17、0.12，存在較小介電常數(shù)的瀝青能夠大量吸收電磁波，因此探地雷達應用過程中的測線布設需要避開瀝青所在處，結合上述探地雷達應用要點，即可保證該物探技術更好服務于地下管線探測，探地雷達與其他探測技術的綜合應用也需要得到重視。

結論：

綜上所述，綜合物探技術能夠較好用于地下管線探測。在此基礎上，本文涉及的探地雷達應用方法等內(nèi)容，則提供了可行性較高的物探技術應用路徑。為更好服務于地下管線探測，還需要關注各類新型物探技術的研發(fā)推廣，格雷互補碼雷達、采用混沌脈沖位置調(diào)制電路的探地雷達均應成為研究熱點。

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