復(fù)雜條件下城市地下管線探測(cè)技術(shù)分析

劉華雄

（湖南省水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南 株洲 412007）

0 引言

一般來(lái)說(shuō)，城市地下管線探測(cè)是在施工開始之前進(jìn)行的，主要目的是為了查明施工現(xiàn)場(chǎng)地下是否存在正在運(yùn)行的管線，并針對(duì)其位置、走向以及排序規(guī)格進(jìn)行分析，進(jìn)而避免在施工過(guò)程中對(duì)管線產(chǎn)生破壞。相關(guān)施工單位應(yīng)提高對(duì)管線探測(cè)技術(shù)的重視程度，確保探測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1 城市地下管線探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

在現(xiàn)階段的城市建設(shè)工程當(dāng)中，地下管線探測(cè)技術(shù)主要具備兩個(gè)方面的應(yīng)用價(jià)值：①保障城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。在當(dāng)前城市的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，給排水、燃?xì)?、熱力、工業(yè)、電力等各類市政部門的運(yùn)轉(zhuǎn)都依賴著地下管線的輸送工作，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的精確定位，并在施工過(guò)程當(dāng)中予以有效規(guī)避，是保障市政設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的前提和基礎(chǔ)。②為城市建設(shè)規(guī)劃提供進(jìn)一步參考。由于城市地下空間有限，因此如何將各城市保障部門所轄管線進(jìn)行更加高效嚴(yán)密的規(guī)劃是提升城市規(guī)劃建設(shè)水平的重要挑戰(zhàn)。相關(guān)單位應(yīng)合理利用地下管線探測(cè)技術(shù)，對(duì)城市內(nèi)部管線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效監(jiān)控，進(jìn)而使管線整體建設(shè)更加科學(xué)，使城市規(guī)劃工作不斷進(jìn)步。

2 常見的城市地下管線探測(cè)技術(shù)類型

2.1 近距離并行管線探測(cè)技術(shù)

2.1.1 直接探測(cè)法

在現(xiàn)階段的地下管線類型中，金屬管線占據(jù)了較大比例。因此運(yùn)用電磁反應(yīng)原理將地下管線與電磁場(chǎng)相連，并分析電磁場(chǎng)所發(fā)出的信號(hào)，明確掌握地下管線信息，這是最常見的探測(cè)手段之一[1]。其中，直接探測(cè)法，又稱為直連法或交流充電法，需要探測(cè)人員將電磁波信號(hào)直接發(fā)射到地下管線當(dāng)中，按照電磁發(fā)射器與地下管線的連接方式進(jìn)行劃分，主要有單端連接和雙端連接等兩種方式。在直接探測(cè)法中，地下管線周圍形成的電磁場(chǎng)均為一次場(chǎng)，管線中傳輸?shù)碾娏骶鶠橐淮螆?chǎng)電流，因此通過(guò)管線電流在周邊環(huán)境空間中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，能夠有效探測(cè)管線的基本信息，從而對(duì)管線的分布情況、排列方式以及實(shí)際走向和位置做到精準(zhǔn)排查，為規(guī)劃建設(shè)方案的確定以及后期施工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。直接探測(cè)法在實(shí)踐中能夠得出探測(cè)結(jié)果，其探測(cè)精度較高，但在使用過(guò)程當(dāng)中容易受到管線類型、是否存在地上露點(diǎn)、是否存在接地條件等因素的影響。

2.1.2 夾鉗探測(cè)法

夾鉗探測(cè)法相較于直接探測(cè)法而言，其探測(cè)方式更加簡(jiǎn)潔。探測(cè)人員可將儀器設(shè)備發(fā)出的電信號(hào)輸送至夾鉗當(dāng)中，并將夾鉗與被測(cè)目標(biāo)管線相連接，使夾鉗、管線以及地下介質(zhì)之間形成初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的關(guān)系，發(fā)射機(jī)的電信號(hào)在夾鉗當(dāng)中形成一次場(chǎng)信號(hào)，并在穿過(guò)管線時(shí)形成二次場(chǎng)，探測(cè)人員通過(guò)對(duì)二次電流的分布范圍、分布方向以及位置進(jìn)行探測(cè)，從而使探測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)[2]。夾鉗探測(cè)法主要適用于存在地上露點(diǎn)的金屬管線或電纜，可在直接探測(cè)法無(wú)法正常使用的情況下進(jìn)行探測(cè)，受管線周邊環(huán)境影響較小。需要注意的是，由于夾鉗法需要對(duì)電纜線路施加信號(hào)，因此可能會(huì)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)杜絕在沒有絕緣的帶電導(dǎo)體當(dāng)中運(yùn)用夾鉗探測(cè)。夾鉗探測(cè)法的注意事項(xiàng)如圖1所示。

圖1 夾鉗探測(cè)法的注意事項(xiàng)

2.1.3 感應(yīng)探測(cè)法

感應(yīng)探測(cè)法相較于直接探測(cè)法以及夾鉗探測(cè)法來(lái)說(shuō)，對(duì)管線地上露點(diǎn)的依賴較為有限，因此應(yīng)用范圍更廣?，F(xiàn)階段常見的感應(yīng)探測(cè)法主要有垂直磁偶極子法、水平磁偶極子法等。探測(cè)人員通過(guò)地上線圈供電從而建立起一次電磁場(chǎng)，地下金屬管線受一次電磁場(chǎng)的影響形成二次電流，并與周圍環(huán)境介質(zhì)形成二次電磁場(chǎng)，對(duì)二次電磁場(chǎng)的范圍、走向和位置進(jìn)行定位，從而能夠精準(zhǔn)地判斷地下管線的基本信息，提升管線探測(cè)工作的有效性。由于感應(yīng)探測(cè)法不需要對(duì)地下管線的地表露點(diǎn)進(jìn)行處理，因此探測(cè)位置的選定較為靈活，但由于感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求較高，因此不適用于管線間距較小的敷設(shè)和分布環(huán)境。

2.2 非金屬管線探測(cè)技術(shù)

2.2.1 雷達(dá)探測(cè)法

市政設(shè)施管網(wǎng)不僅包含了金屬管線類型，在給排水、燃?xì)廨斔汀㈦娎|等管網(wǎng)中，PE（聚乙烯）材料以及PVC（聚氯乙烯）材料同樣具有極為廣泛的應(yīng)用，這些材料絕緣性能較好，難以采用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行管線探測(cè)，因此探地雷達(dá)就應(yīng)運(yùn)而出。探地雷達(dá)的主要原理是對(duì)絕緣材料管線與周圍環(huán)境介質(zhì)之間形成的電性差異進(jìn)行反饋，并通過(guò)電磁反射波的曲線波動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)管線管徑的有效探測(cè)。通常情況下，雷達(dá)反射波曲線的波峰與波谷之間的差距越尖銳，證明地下管線的直徑越小，而波峰與波谷之間的差距越平緩，則證明地下管線的管徑越大[3]。探測(cè)人員可針對(duì)電磁波雷達(dá)觀測(cè)到的反射曲線頂點(diǎn)確定管線的中心位置，從而保證管線定位精度。在采用探地雷達(dá)對(duì)城市地下管線分布狀況進(jìn)行分析時(shí)，需要配備信號(hào)發(fā)射與信號(hào)接收兩個(gè)電線，避免電磁波反射信號(hào)受到地下環(huán)境介質(zhì)的影響。

2.2.2 移動(dòng)信標(biāo)探測(cè)法

移動(dòng)信標(biāo)探測(cè)法同樣也是地下非金屬管線探測(cè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。探測(cè)人員通過(guò)穿孔器、電纜推進(jìn)裝置或閉路電視（CCTV）管道爬行器（圖2）將信標(biāo)植入到地下管線內(nèi)部，并通過(guò)探測(cè)設(shè)備對(duì)信標(biāo)發(fā)射出的信號(hào)進(jìn)行接收和分析，從而對(duì)地下非金屬管線進(jìn)行有效的定位和定深。但由于移動(dòng)信標(biāo)探測(cè)法的應(yīng)用流程較為特殊，因此不適用于壓力管道、燃?xì)夤艿赖裙芫€類型，在城市管線地下探測(cè)工作當(dāng)中具有一定的局限性。

圖2 管道爬行器

3 地下管線探測(cè)精度的影響因素

3.1 地下管線與介質(zhì)材料

在地下管線探測(cè)活動(dòng)中，地下管線的材料以及周邊環(huán)境介質(zhì)的類型對(duì)定位探測(cè)工作的精確度具有十分重要的影響。由于不同類型管線與環(huán)境介質(zhì)材料之間的介電常數(shù)存在差異，因此對(duì)發(fā)射機(jī)電磁波同樣也會(huì)產(chǎn)生差異化的影響。與此同時(shí)，不同類型介質(zhì)所產(chǎn)生的電導(dǎo)率也同樣對(duì)電磁波的穿深產(chǎn)生一定影響。城市地下管線探測(cè)工程，常見的環(huán)境介質(zhì)包括空氣、水、土壤、黏土、干砂、濕砂、混凝土、瀝青等不同類型，其中相對(duì)介電常數(shù)最低的介質(zhì)是空氣，介電常數(shù)是1，最高的是濕砂，介電常數(shù)的25～30。探測(cè)人員可針對(duì)不同環(huán)境介質(zhì)之間的介電常數(shù)進(jìn)行分析，相對(duì)介電常數(shù)的差異越大，探地雷達(dá)顯現(xiàn)的電磁波信號(hào)圖像就會(huì)越清晰，同時(shí)也能夠更方便探測(cè)人員對(duì)復(fù)雜條件下的地下管線實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位定深[4]。

除此之外，受我國(guó)氣候、環(huán)境等因素的影響，南北方之間的潛水面高度也存在一定的差異，地下環(huán)境介質(zhì)在接觸水源后，其原有對(duì)電磁波產(chǎn)生的吸收能力會(huì)陡然增強(qiáng)，因此在干燥地區(qū)或干燥環(huán)境當(dāng)中使用探地雷達(dá)對(duì)地下管線參數(shù)與信息進(jìn)行探測(cè)，其精確度更好。

3.2 管線周邊環(huán)境密度

地下管線埋設(shè)周邊環(huán)境的密度同樣也對(duì)探測(cè)活動(dòng)的精準(zhǔn)度產(chǎn)生影響。在現(xiàn)階段的城市市政地下管線埋設(shè)流程中，常常采取開掘、挖溝、回填、覆蓋等一系列的施工模式，這種施工模式會(huì)使原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變化，因此，回填土層與原有土層之間的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率以及電磁波的傳播速度和衰減系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)。在很多市政管線的敷設(shè)工程中，沒有對(duì)回填土層進(jìn)行徹底的清理和篩選，導(dǎo)致磚塊、瓦片等建筑垃圾回填到土層中，這些物質(zhì)相較于普通土層來(lái)說(shuō)，會(huì)影響各項(xiàng)探測(cè)參數(shù)，導(dǎo)致給探地雷達(dá)的探測(cè)活動(dòng)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，探測(cè)人員在對(duì)復(fù)雜條件下城市地下管線進(jìn)行探測(cè)之前，應(yīng)當(dāng)結(jié)合管線權(quán)屬單位提供的相關(guān)資料，利用逐次逼近或交匯的形式對(duì)其進(jìn)行探查，有效剔除其他環(huán)境介質(zhì)對(duì)探測(cè)工作精度產(chǎn)生的干擾，使探地雷達(dá)顯示的反射電磁波波形更加清晰，從而進(jìn)一步強(qiáng)化管線探測(cè)效能，保障管線探測(cè)質(zhì)量。

3.3 管線埋設(shè)及排列方式

在城市的發(fā)展建設(shè)過(guò)程中，由于地下空間存在一定程度上的限制，因此給管線規(guī)劃工作帶來(lái)了一定的難度。很多地區(qū)的管線采取了平行并列的埋設(shè)模式，各獨(dú)立管線之間的間距較小，會(huì)對(duì)地下管線探測(cè)工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響。很多管線埋設(shè)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一定的互感效應(yīng)，相互之間產(chǎn)生一定的干擾，影響探測(cè)人員對(duì)管線位置和深度的判斷，在對(duì)金屬管線采取感應(yīng)法進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，這一現(xiàn)象更加普遍。因此地下管線探測(cè)人員應(yīng)當(dāng)了解管線埋設(shè)工程的基本信息，并選定合理的探測(cè)技術(shù)，制定出完善的地下管線探測(cè)方案，有效規(guī)避地下環(huán)境給探測(cè)活動(dòng)帶來(lái)的干擾和影響，使最終的管線探測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)，工程建設(shè)質(zhì)量得到進(jìn)一步保障。

3.4 探測(cè)設(shè)備信號(hào)干擾

除了地下介質(zhì)的影響外，地表地勢(shì)走向同樣也會(huì)對(duì)管線探測(cè)精度產(chǎn)生一定影響，由于在城市環(huán)境中，高層建筑、金屬構(gòu)筑物的數(shù)量和密度較大，容易對(duì)探地雷達(dá)的探測(cè)電磁波形成干擾，使雷達(dá)最終獲取到的管線信息出現(xiàn)異常。因此，在利用探地雷達(dá)對(duì)復(fù)雜條件的城市地下管線進(jìn)行測(cè)量和分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量確保探測(cè)場(chǎng)地的空曠平坦，進(jìn)一步減少周邊環(huán)境對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，使管線定位更加精準(zhǔn)。

4 實(shí)際案例分析

在某城市地鐵線路建設(shè)的過(guò)程當(dāng)中，需要針對(duì)該地區(qū)地下管網(wǎng)線路進(jìn)行細(xì)致探測(cè)和分析，從而有效避免施工過(guò)程當(dāng)中對(duì)管線正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。相關(guān)技術(shù)人員選擇使用探地雷達(dá)對(duì)地下非金屬管線進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)電磁波反射曲線的頂點(diǎn)位置精準(zhǔn)測(cè)定非金屬管線中心，并對(duì)其管徑、深度、走向等重要參數(shù)進(jìn)行分析，使施工設(shè)計(jì)方案得到更清晰的信息參考。在探測(cè)過(guò)程當(dāng)中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)電磁波反射曲線存在一定的異常，為了有效提升地下管線探測(cè)的合理性，保障最終探測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，技術(shù)人員針對(duì)管線探測(cè)導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行坐標(biāo)確定，并繪制成圖像，結(jié)合探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的地勢(shì)走向以及周邊環(huán)境有效地優(yōu)化和調(diào)整探測(cè)設(shè)備，從而使地下管線的位置測(cè)定更加精準(zhǔn)。

此外，技術(shù)人員還綜合采用了夾鉗法與感應(yīng)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下金屬管線的有效探測(cè)，并明確地下不同類型的管線位置，保障地鐵建設(shè)安全，對(duì)促進(jìn)城市建設(shè)的全面發(fā)展產(chǎn)生了積極影響。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在當(dāng)前市政建設(shè)與發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，針對(duì)地下管線的位置和深度進(jìn)行明確測(cè)定，對(duì)提高市政建設(shè)質(zhì)量，保障城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。相關(guān)市政部門應(yīng)當(dāng)針對(duì)當(dāng)下常見的各類地下管線探測(cè)技術(shù)進(jìn)行全面研究，并采取措施對(duì)其應(yīng)用特性進(jìn)行分析，從而有效提升探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果，避免發(fā)生安全事故。