地下管线探测中的物探方法试验和探测仪器一致性校验

杜良法*

(1.中国地质大学(北京)地球探测与信息技术学院，北京 100083;2.中国冶金地质总局山东局山东正元地理信息工程有限责任公司 山东济南 251010)

1 前言

地下管线是城市重要的基础设施，为了获取准确可靠的地下管线空间信息和属性信息，多种物探方法和物探技术被应用于地下管线探测中。解决浅地表的地质问题，物探方法具有无损、准确、高效和便捷的优势，但也存在多解性和局限性的特点，这些特点是产生系统误差的主要原因，而方法试验和一致性校验是消除系统误差的主要手段。通过物探方法试验和探测仪器的一致性校验，针对不同的地球物理条件，合理选择有效的物探方法和仪器设备，是准确获取地下管线信息数据的有效途径。

2 方法试验与仪器一致性校验的理论基础

2.1 地下管线探测技术特点

城市地下管线具有隐蔽性和复杂性，利用物探技术进行地下管线探测，具有无损、准确、高效和便捷的优势，但物探技术也存在多解性和局限性的特点［1］。物探技术的多解性主要表现在两个方面:一是不同地质体(目标管线)在条件适宜时，可产生相同的物探异常特征(正演多解性);二是多种物探异常特征反映的是同一地质体(反演多解性)。这主要是由于地球物理场固有的等效性、观测数据的离散性和有限性以及观测场包含的误差和其他场源的影响，导致了地球物理探测结果的不唯一［2］。能够被用于地下管线探测的物探方法和物探技术很多，每一种物探方法和物探技术都有其应用条件，而地下管线的隐蔽性和地球物理条件的复杂性(近间距平行管线、特深管线、非金属管线、大口径管线、地面建(构)筑物钢筋网、导电覆盖层与导电围岩、金属护栏、空中电缆线、复杂地形地貌等)，使复杂的地球物理条件变成物探技术使用的限制因素，这就是物探技术的局限性。

在城市地下管线探测中，金属管线探测仪由于探测结果准确、效率高和成本低，而被大量的投入使用，成为获取城市地下管线探测成果数据的主要工具。多家单位(业主、监理、各施工单位等)所投入的管线探测仪，厂家不同、型号各异，由于仪器探测原理的特殊性，目前还没有专业的权威机构对其精度状况进行鉴定，必须靠现场仪器的一致性校验来标定精度状况，使所投入的管线探测仪处于同等精度的工作状态，禁止探测精度较差的管线仪投入使用。

2.2 误差分析理论

地下管线探测所产生大量的探测数据，由于各种因素的影响，必然存在观测误差，观测误差分为系统误差和偶然误差。管线探测的系统误差可分为:方法误差、干扰误差、仪器误差、操作误差。方法误差是由于所使用的探测方法或技术不合理而引起的误差，物探技术的特点表明，使用条件不当时，可产生较大的方法误差;干扰误差是指在复杂条件下各种常见的干扰因素所引起的探测误差，城市地下管线探测中，干扰因素普遍存在;仪器误差是由于探测仪器本身的缺陷而引起的误差;操作误差是因为作业人员的操作不规范造成的误差。偶然误差是在相同观测条件下，由于各种偶然因素，使对同一物理量进行多次观测的结果产生时大时小的误差。偶然因素的影响一般是微小的，而且难以确定是哪个因素产生以及具体影响的大小，因此偶然误差难以找出原因而予以排除，只能通过增加平行观测的次数，使观测结果的算术平均值尽量接近真值。中误差作为衡量观测精度的一种数字标准，主要反映的是偶然误差。系统误差影响观测精度，系统误差产生的原因，可以通过一定的方法找出，并采取适当的措施消除或降低其对中误差(观测精度)的影响［3］。

2.3 消除系统误差的方法

在地下管线探测中，由于物探技术的特点，观测误差是客观存在的，但观测误差中的系统误差应该通过一些措施，找出原因并予以消除，使中误差的计算仅包含偶然误差，真实、客观地反映探测成果的精度。系统误差的消除，可通过物探方法试验和仪器的一致性校验来实现，系统误差消除方法，如表1所示。

系统误差消除方法一览表 表1

3 方法试验与一致性校验

3.1 物探方法试验

城市地下管线具有隐蔽性，且种类繁多，其材质、埋设方式以及所处的地电环境各不相同，复杂的干扰因素随处可见。通过物探方法试验，了解地下管线和环境的地球物理特征、掌握复杂条件和各种干扰因素、确定所选择物探方法和仪器的有效性和相关参数，使探测成果满足精度要求。物探方法试验应该从两个方面来考虑。

(1)综合物探方法试验

可用于地下管线探测的物探方法很多，主要有电磁法、电法、磁法、地震法等。由于物探方法的多解性和局限性，每一种物探方法都有其适用条件，它们所利用的地球物理条件和物性参数也各不相同。一般情况下，电磁法技术探测金属管线，效果明显。在复杂情况下，有时电磁法技术探测效果不理想，可利用地下管线与周围介质的介电性、磁性、弹性和温度差别，采用电磁波法、磁法、地震法和红外辐射法等方法，通过各种方法的试验工作，选择有效的物探方法投入使用。综合物探方法在解决复杂条件下的疑难问题时，具有一定的效果，在城市地下管线普查中也取得了不少成果的案例。例如，岳亚东利用地震波法中的COD法(单道共偏移法)探测非金属排水管道［4］，王水强等人利用磁梯度法探测深度(10.5 m)较大的非开挖金属输油管道［5］，均取得了理想的探测效果。

(2)电磁法技术方法试验

电磁法技术较为成熟，因其准确、快速和便捷，在城市地下管线探测中被广泛使用，目前各施工单位所进行的方法试验主要是针对电磁法技术。电磁法技术有许多的工作方式，按激发方式可分为:直接法、感应法、夹钳法、工频法、甚低频法等;按场源分类可分为:主动源和被动源;按目的不同(解决复杂问题时使用的方法)可分为:示踪线法、选择激发法、动源感应法、旁侧感应法、压线感应法(水平、垂直、倾斜)和电流识别法等。

通过方法试验，一方面根据不同的地球物理条件，选择电磁法技术最有效的工作方式，取得最佳的探测效果;另一方面要确定电磁法技术相应的工作参数，如:最小收发距、最佳收发距、最佳发射频率、合适的发射功率和合理的修正系数，保证探测精度［6］。下图为山东正元公司在某城市地下管线探测前进行的最佳收发距试验曲线，试验仪器为RD4000。从图中可以看出，当发射功率50%，增益40时，仪器的最佳收发距为20 m。

图1 最佳收发距试验曲线

3.2 仪器一致性校验

工程项目施工前，对于长期搁置后投入生产的、经过长途搬运后用于生产的以及经过检修或调节后又用于生产的金属管线探测仪均应进行一致性校验。管线探测仪器的一致性校验是为了消除由于仪器缺陷而造成的系统误差，使投入使用的管线探测仪处于同等精度的工作状态，选择有效的仪器投入生产。

仪器的一致性校验应该设立总校点和分校点。总校点是所有探测单位进行仪器一致性校验的地点，分校点是管线探测单位在自己测区内对本单位投入使用管线探测仪进行一致性校验所选取的校验点。各探测单位应在各自测区分校点进行一致性校验的基础上，选择一致性较好的仪器在总校点上进行校验。分校点有两个重要作用，一是定期校验仪器;二是对于后期投入的仪器，在分校点上进行一致性校验，合格后投入使用［7］。

多台仪器的总观测精度的计算公式为:

式中:△Vi——某次观测值(包括参与计算平均值的所有数据)与该点各次观测平均值之差;

m——总观测次数，即参加校验的所有点上全部观测次数之和;

n——参与校验的点数。

当总观测精度ε在数值上不超过工作精度的1/2时，可以认为仪器一致性良好。当总观测精度ε超过工作精度的1/2时，要及时查明存在缺陷的仪器，并禁止投入使用。这里的工作精度指的是《地下管线探测技术规程》中规定的管线点探测限差要求，即:平面位置限差δts=0.10h;埋深限差δth=0.15h(h为目标管线的中心埋深)。

4 结论与建议

从地下管线探测技术特点和误差分析理论可以得出，在开展地下管线探测工作前，对物探方法和物探技术要进行方法试验，对投入的管线探测仪要进行一致性校验，消除系统误差的产生，采用最有效的物探方法和技术，在合理的物性参数基础上，取得理想的探测效果。

在进行物探方法试验和仪器一致性校验时，还要注意以下几点:

(1)不但要对常用的电磁法技术进行方法试验，还要对测区内的疑难问题进行综合物探方法试验。

(2)仪器一致性校验应该提倡采用总校点和分校点的工作模式，分校点的设立，对仪器进行全面、及时的校验，具有重要作用。

［1］李学军，杜良法.物探在保障城市地下管线安全中应用问题的思考［J］.城市勘测，2010(增刊2):44～47

［2］刘士毅，田黔宁，赵金水等.解决物探异常解释多解性的一次尝试［J］.物探与化探，2010，34(6):691～696

［3］吴石林，张玘.误差分析与数据处理［M］.北京，清华大学出版社，2010.72 ～84

［4］岳亚东.COD法在非金属管线探测中的应用［J］.煤炭技术，2003，22(7):110 ～115

［5］王水强，黄永进，李风生等.磁梯度法探测非开挖金属管线的研究［J］.工程地球物理学报，2005，2(5):353～357

［6］李凤之.浅谈地下管线探测方法试验［J］.城市勘测，2009(增刊):152～154

［7］杜良法，王少兵.城市地下管线普查中金属管线探测仪一致性校验问题探讨［J］.华北科技学院报，2008，5(2):40～47