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行概要總結，提出了多種探測技術方法，并對每種技術方法的基本原理、工作方法、優缺點等進行了闡述。

關鍵詞：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，是城市正常運行的保證。但由于各種原因造成地下管線家底不清、資料不全，在城市建設中因地下管線現狀不清引發安全事故。

近年來隨著城市化的不斷加快，城市地下管線材質日益豐富，非金屬管線大量替代金屬管線。金屬管線本身導電、導磁，一般情況下與周邊介質有明顯的物性差異，可以選用電磁感應法等快速有效的方法。非金屬管線由于不導電、導磁，與周邊介質物性差異小，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行了概述，以總結經驗并希望能夠為城市地下管線探測工作者提供借鑒。

二、探地雷達

（一）基本原理

探地雷達是根據電磁波在地下傳播過程中遇到不同的地質界面會發生反射的原理進行的。一般情況下目標管線和周圍介質都存在物性（主要是電性）差異。

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

來自地質界面的反射波其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁性質及幾何形態而變化，由此可根據反射波的旅行時間（雙程走時）、幅度、波形及介質電磁波速度等，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間、平均介質電磁波速，則地下管線管頂埋深可由下式計算得到：

d₀=v·t₀/2

式中：  d_0------地下管線管頂埋深；

v ----為平均介質電磁波速；

t₀----管頂處反射波旅行時間。

圖2.1  探地雷達工作原理示意圖

（二）基本工作方法

1、地面雷達

1）根據現場調查及資料調繪確定目標管線的大概走向，沿管線走向垂直布設測線。

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

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

2、孔中雷達

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

圖2.2 孔中雷達探測原理及現場

2）孔中雷達與地面雷達的基本原理相同，包括雷達發射機和接收機，并內置于不同的天線內。

3）孔中雷達可以采用以下模式:跨孔、地面-孔中等模式。

4）孔中雷達是一項新的技術，多應用于地質災害預警、核廢料掩埋場導水斷裂帶探測等。該技術對解決大埋深非金屬管線提供了理論基礎和可能。

（三）注意事項

1）鄰近管線排除：城市復雜條件下應首先對目標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：雷達斷面上的波形表現雜亂無章，目標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：有些時候，在布設的雷達斷面上，有可能產生一些類似管線異常，為避免誤判，應在探測異常斷面附近應重新布設斷面以驗證。

4）地下介質介電常數受回填土、含水量等影響較大，因而應對地下平均介質波速v進行經常性驗證。

5）地下管線埋深較淺時，時窗不宜設置過大，以有效突出管線反射信號；管線直徑較小時，天線移動速度不能太快，否則圖像上會出現線狀強反射信號，而很難出現雙曲線特征，影響判讀。

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

7）管徑與可探測深度關系可以用以下估算：

Rv=0.08H    0＜H＜3m

Rv=0.50H    H≥3m

例如：2米深度，當管徑小于160mm時基本不可探測。

3米深度，當管徑小于1500mm時基本不可探測。

（四）優缺點

優點：一種非破壞性技術，應用范圍廣，效率較高，采用微機控制與成圖，圖像清晰直觀，適于探測各類材質管線。

缺點：就地下管線探測而言，受回填土和鄰近非目標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

以探頭進入管道的入口為起點，每隔一定間距，停止探頭前進，進行探頭的定位。

（2）示蹤探頭精確定位：

第一步：接收機表頭垂直于示蹤探頭軸向，沿示蹤探頭軸向移動，在經過探頭時出現三個峰值響應。依次為次峰值—谷—峰值—谷—次峰值，主峰值點為示蹤探頭縱向峰值點。如圖3.1所示。

第二步：定位縱向峰值點后，接收機以縱向峰值點為中心，沿垂直于示蹤探頭軸線的方向移動，橫向峰值點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

示蹤探頭縱向兩個谷值點距離的70%為示蹤探頭準確深度。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過程中沿管線鋪設的金屬導線，如3.4所示；二是在有出入口的非金屬管線內部穿入一根金屬導線，至少保證導線端部剝開1米左右，裸露出金屬線，以與管道內汽水接觸，提供信號回路，如3.5所示。探測時，須使用發射機直接法對導線施加信號，其它探測方法同金屬管線電磁感應法。

3.4隨管線埋設鋪設示蹤線                 3.5 空管內穿入示蹤線

四、聲波法

（一）聲波傳導

由發射機（震蕩器）發射一定頻率的聲波信號，該信號由與管線連接的振動器傳輸到管壁或管道內流體上并沿管壁或管道內流體向遠端傳播，接收機（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。

該類設備包括發射機、震蕩器、接收機、拾音器、耳機等。

4.1聲波傳導探測原理

（二）聲波反射

其工作原理類似于探地雷達，只是發射機發射的是聲波、接收機接收的也是聲波，工作模式也是采取斷面掃描的方法，通過監控反射波的強度、速度、時間間隔分析地下介質變化探測地下管線。不同于探地雷達，聲波反射不受地下介質電導率影響，但當地下介質不密實時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的彈性波波速及波阻抗差異為基礎，研究有人工震源（如錘擊）產生的地震波傳播規律，用來解決地下介質分布狀況的一種物探方法。根據利用地震波的不同，又分為直達波法、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、連續震動源、氣動震源等。

（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）在野外觀測作業中，垂直于管道走向布置測線，沿測線等間距布置多個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量少的有24個、48個，多的有96個、120個、240個等。

（3）每個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間間隔離散采樣，以數字形式記錄原始數據，原始數據可回放而顯示為圖形。

（4）常規的觀測是沿直線測線進行，所得數據反映測線下方二維平面內的地震信息。這種二維的數據形式難以確定側向反射的存在以及地質體走向方向等問題，為精細詳查地層情況以及利用地震資料進行地質體描述，有時在地面的一定面積內布置若干條測線，以取得足夠密度的三維形式的數據體，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位于震源與接收點之中點的正下方這個事實來設計震源與接收點位置，使中點分布于一定的面積之內。

（5）把數據下載到室內計算機上，處理生成地震實測剖面圖圖或三維圖。

（四）優缺點

優點：受介質電導率影響較小；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：探測鋼筋混凝土管線平面定位精度、埋深精度難以達到規范要求；探測塑料管線平面定位精度不高，難以測定深度；城市環境下受車輛等振動、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之間導電性差異為基礎，通過供電電極向地下供電，然后研究由于地下介質、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間電位差，借此計算各測點間的視電阻率。

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置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法，儀器采用程控方式進行數據采集和電極控制，如圖6.2所示。

它可實現電阻率的快速采集，并能在現場進行數據處理，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將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上，利程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數據快速自動采集。

（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。因而，電阻率法即可以對金屬管線進行探測，也可以對非金屬管線進行探測。

（三）基本工作方法

（1）首先根據現場調查或相關資料確定目標管線的大致走向、深度、材質、規模，以初步確定電極間距等參數。

（2）在已知區域根據初步確定的參數進行實驗，實驗數據傳到計算機后，經過地形改正、壞點去除等預處理，使用反演軟件進行反演成圖，與已知情況進行對比，選擇參數，再對未知區域進行探測。如圖6.3、6.4所示。

6.3電阻率法金屬管道模型及正演結果、反演結果

  6.4電阻率法非金屬管道模型及正演結果、反演結果

（3）施工現場測線布置：垂直待測地下管道并布設測線，根據實驗結果布設電極。

（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間的電位差，借此計算出各測點間的視電阻率。

（5）數據傳到計算機后，經過地形改正、壞點去除等預處理，使用反演軟件進行反演繪制地電斷面圖。

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

（四）優缺點

（1）優點：

與常規電阻率法相比，高密度電法具有以下優點：

1）電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設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行測量，可以獲得豐富的有關地電斷面的信息。

3）野外數據采集實現了自動化或半自動化，提高了數據采集速度，避免了手工誤操作。此外，隨著地球物理反演方法的發展，高密度電法資料的電阻率成像技術也從一維和二維發展到三維，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，設計好電極間距，可以達到其它方法達不到的勘探深度。

（2）缺點：

1）在高密度電阻率法實際工作中，最大電極距的布置是根據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，這就要求點距要足夠小。因此既要考慮管線埋深，也要管線規格。

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

3）數據處理解釋較復雜。

4）是一種體積探測方法，當埋深過大或體積過小，會影響探測效果。

5）城市環境下測線及電極布置受限較多，難以布設長距離測線、電極與地面耦合效果難以實現。

七、記標法探測

（一）工作原理

記標法是RFID射頻識別技術在地下管線的一種應用，一般由記標和記標探知器兩部分組成。其工作原理是記標在記標探知器特定頻率磁場的激發下可產生同頻二次場，記標探知器也可以接收記標發射的同頻二次場。

7.1記標法工作原理

（二）記標的使用方法

在管線埋設的同時，將記標埋設于管道的關鍵部位，查找管線時使用記標探知器查找記標，即確定了管線位置。

（三）現狀

目前應用于地下管線的記標具有數據存儲區，通過記標探知器將管線信息寫入或讀出記標。

（四）優缺點

由于RFID具有無需接觸、自動化程度高、耐用可靠、識別速度快、適應各種工作環境等，在非金屬管線的定位、標識方面具備其它物探方法不可比擬的優勢。但目前記標的成本、價格仍比較高，在國內應用處于起始階段，現狀管線埋設記標的不多。

八、其它方法

地下管線慣性定位技術是一種管內測量定位技術，不受管線埋深、材質、周邊介質與地表環境影響，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，規格較大的管道可以采取多點釬探的方法。

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，對于大規格管線選取無損鉆探設備進行精探，如靜力觸探鉆機。該機通過液壓傳動機構，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

［1］ 袁厚明.地下管線檢測技術. ［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：地質出版社，2005.

［3］ 莊建林.地下非金屬管線探查方法探討. ［C］.數字測繪與GIS技術應用研討交流會論文集，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用. ［J］.工程地球物理學報，2008（1）；

［5］ 張永命.地下管線高精度探測技術. ［R］.