城镇燃气管网探测方法研究与实践

姬　斌，夏 永，肖 婷

（1.成都华润燃气工程有限公司,四川 成都　610045；2.资中华润燃气有限公司，四川 内江　641200；

3.遂宁市明星自来水有限公司，四川 遂宁　629000）

城镇燃气管网探测方法研究与实践

姬斌1，夏 永2，肖 婷3

（1.成都华润燃气工程有限公司,四川 成都610045；2.资中华润燃气有限公司，四川 内江641200；

3.遂宁市明星自来水有限公司，四川 遂宁629000）

城市燃气是城市能源结构和城市基础设施的重要组成部分，准确的燃气管网三维坐标、埋深等信息是城市规划、燃气公司运营管理的重点内容之一.本文通过详细阐述燃气管网探查原理与方法、燃气管网测绘技术与方法，以四川省彭州市为例，对燃气管网探测涉及的控制网设计及数据处理、管网探测及内业数据处理等实证研究，就近距并行管线、深埋管线的探测方法等进行了探讨，其结果对提高管网探测理论与技术，确保城镇燃气安全运营等具有重要意义.

燃气管网；管网探测；钢质管道；PE管道；地形测绘

城市燃气是指用于生产、生活的天然气(Natural Gas)、人工煤气(Manufactured Gas)、液化石油气(l iquef ied Natural Gas)等气体燃料的总称.城市燃气是城市能源结构和城市基础设施的重要组成部分.它为城市工业、商业和居民生活提供优质气体燃料.它的发展在城市现代化中起着极其重要的作用.燃气管网是城市燃气输配的重要基础设施，随着城市的不断扩张而逐步敷设，准确的管道平面位置和埋深是燃气公司运营管理、建立管网地理信息系统的重要基础，可为燃气施工（改建、新建）和地下管线敷设方式优化，促进地下管线的信息化动态管理等提供基础.由于燃气管网建设年代久远，各种图纸缺乏，因此，开展燃气管网的探测和定位的研究对整个燃气管道系统更有效、更安全地运行有重要意义.本文系统分析了城镇燃气管网类型及其探查、测绘方法，在此基础上，以某城镇燃气管网探测为实例，详细介绍了城镇燃气管网探测的技术流程，其结果对促进燃气管网探测技术具有重要意义.

1　城镇燃气管网探测方法

根据燃气管网的材质，可分为金属(钢管、无缝钢管、焊接钢管、铸铁管、镀锌管)管线和非金属（PE）管线两大类.城镇燃气管网探查方法主要有电磁法（频率域电磁法、时间域电磁法）和电磁波法（探地雷达法）、磁法、地震波法（反射波法和瑞雷波法）、直流电法和红外辐射法.其中频率域电磁法和电磁波法是地下管线定位定深的主要技术方法，一般而言探查非金属管线主要采用电磁波法，探测金属管线主要采用频率域电磁法.

1.1频率域电磁法

1.1.1探测原理

磁法是探测地下管线重要的一种物探方法，主要是根据地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为基础.根据电磁感应原理借助仪器观测电磁场的变化，确定电磁场的空间与时间分布规律，从而达到探测地下金属管线或解决其他地质问题的目的。探测原理如图1所示.

图1　电磁法工作原理示意图

图2　管线探测仪示意图

在金属管道的出露处或正上方，放置管线探测仪的发射机，发射机发射频率可根据工况予以调节，操作人员沿着垂直于管线走线方向寻找电磁波信号，根据信号峰值或谷值确定管线平面位置.

1.1.2探测仪器

地下管线探测仪是由发射机、接收机组成.如图2所示，发射机由发射线圈及电子线路组成，通过感应、直接、夹钳等方式向管线施加一特殊频率的信号电流.根据电磁感应原理，电流在沿着金属管线传播时，在管线周围形成交变的磁场，其强度、导体周围介质的导电性、导体的电阻率导体与一次场源的距离有关.根据施加信号的方式不同，电磁感应法分为直接法、夹钳法、感应法和示踪法.接收机由接收线圈、相应电子线路和信号指示器组成.项目用英国雷迪公司RD8000管线探测仪相关技术指标如下：

①灵敏度：6E-15Tesla,5μA1米处?(33Hz)

②动态范围：140dBrms/Hz

③选择性：120dB/Hz

④深度准确度：直连：0.1-3米误差为±2.5%；探棒：0.1-7米误差为2.5%

⑤最大深度*：管线为6米，探棒为18米

⑥定位精度：±2.5%

1.2电磁波法（探地雷达法）

电磁波法又称探地雷达法（Ground Penet rating Radarmethod简称GPR法），是利用超高频的电磁波探查地下介质分布的一种地球物理探查方法.这种方法可以探查地下的金属和非金属目标.探地雷达法主要是利用介质间的介电性、导电性、导磁性差异进行探查，常见介质的物理参数见表1所示.

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从表1中可以看出，金属的相对介电常数非常强，电磁波穿透不了金属就形成了全反射。而土壤的介电常数与塑料粒、PE颗粒、PP颗粒介质不同，它们之间就会发生电磁波反射。利用这一特性，就可以通过雷达波形较好地确定出非金属管线。探地雷达的工作原理如图3所示.

图3　地质雷达工作原理图

在探测时，发射天线与接收天线非常接近，甚至将发射天线与接收天线合在一起.因此，发射天线的边界到所测管线顶部的距离约等于管线与土层介质边界到地面接收天线的距离.从天线到地下目标的距离随着天线的移动，不断地变化.如图3所示，XN,…，X0,…，X,N,为目标正上方位置到天线的水平距离，dN,…，d0,…，dN是对应位置探测的管线深度.雷达是通过测量信号从发射天线发出至信号到达目标的传输时间，再利用电磁波在介质中的传播速率即可计算出天线至目标的距离。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的导电率和天线频率。导电率越高，穿透深度越小，天线频率越高，

穿透深度越小，分辨率越高，反之亦然。

2　城镇燃气管网测绘方法

管网测绘分为控制测量和碎部测量、内业数据处理三大部分。

2.1控制测量

平面控制测量是在城市等级控制网的基础上进行加密，其方法主要有GPS控制测量、三角测量、导线网测量和交会测量等方法。

高程控制测量是在城市高程控制网的基础上进行加密，常用的方法主要有水准测量、三角高程测量、GPS高程测量等。

2.2碎部测量

通过碎部测量采集探查出来的管线及其附属设施三维坐标及其埋设等信息，根据项目需要，有时还需测量出管线周围带状地形图或重要参照物，其常用的方法有全站仪数字地形测绘、GPS-RTK法等。GPS-RTK（实时动态测量系统）是GPS实时差分测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。其思想是在基准站上设置一台GPS接收机，对所有可见的导航卫星（GPS卫星、北斗卫星、GLOMSS卫星、Gal i leo卫星）进行连续观测，并实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电设备或手机网络信号传输给移动站.移动站通过接收基准站所发射的信息，将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和移动站基线向量(△x,△y,△z)；基线向量加上基准站坐标得到移动站每个点的WGS-84坐标，通过坐标参数转换得出移动站每个点的三维坐标并计算出其单点精度.

2.3管线测量内业数据处理

管网图是管线探测的主要成果资料，通过野外采集数据借助南方CASS软件平台和金迪管线处理系统可以清晰明了地将管网呈现在电子地图中，便于长期保存和检查更新，同时也会生成Access数据库文件和标准管线探测成果表.管网图主要包括管线的空间坐标信息和相对管线周边的地类地物信息作为参考.为了方便统一管理，管网图的绘制需要使用统一的符号系统和比例尺系统.

一般规定，管网图主要包括以下内容：管线、管线上的附属物和建（构）筑物、铁路，道路，河流，桥梁、测量控制点和图廓、图饰.地下管线图内应注记管线的规格、材质、压力等属性.

3　工程实践

3.1研究区概况

彭州市隶属四川省成都市21个区（市）县之一，位于龙门山脉以南，成都平原北部，介于东经103°10ˊ～103°40ˊ、北纬30°54ˊ～31°26ˊ之间，全市幅员面积1421平方公里，下辖天彭镇、龙门山镇等18个镇，各个镇均有燃气管网分布.境内地貌类型大体属四川盆地亚热带湿润气候区的“盆地北部区”，纯平原区423平方公里，平原丘陵混合334平方公里，丘陵山地混合664平方公里.区内交通发达，省道105、省道106、成彭高速、彭郫路、石化大道、牡丹大道、湔江路、彭温路、彭白路等高等级快速路，以及各乡镇公路、村级公路可为燃气管网探测提供交通便利，研究区内已有高等级GPS控制点4个，水准点6个，可作为燃气管网测绘平面、高程控制网的起算点.

3.2技术流程

通过分析研究区燃气管网分布，以及已有控制点情况，主要研究内容包括控制网建立、外业管网探查及数据采集、内业数据处理、探测质量检查等四个方面，其主要技术流程如图4所示.

图4　燃气管网探测技术流程图

①已有基础资料收集.收集研究区已有平面控制点、高程控制点坐标，已有管网竣工资料等基础图件，地形图、交通图等基础资料，供野外踏勘、控制网设计、管网探测时作为参考资料.

②平面及高程控制网设计.根据项目平面精度、高程精度要求和已有控制点分布情况，分别设计GPS控制网，高程控制网.

③外业踏勘及控制网选点.外业踏勘、检查已有控制点的完好情况，并根据设计点位略图，选好控制点位置，并造标埋石、编号，供控制网观测时使用。

④控制网测量及数据处理.按照D级GPS控制网进行布网，四等水准测量进行高程控制网布设，观测后，分别用HDS2010及平差易软件进行控制点解算及平差处理。

⑤燃气管网探查.根据已有管网竣工图、管网巡线员带线和调压器、伐井的分布情况，通过直连、感应等方式查明地下管线平面位置及埋深，并做好标记、绘制好草图.

⑥燃气管网及附属设施测绘.根据管网探查确定的点位标记，采集管线点，特征点及附属设施（阀门、调压箱、调压柜、三通、弯头、变径点、变材点等）的三维坐标.

⑦燃气管网内业数据处理.根据外业测量数据，绘制燃气管网图，并制作燃气管网数据表，包括管点表、管段表、阀门信息表等.

⑧内外业数据精度检查.根据内业绘制成的图，在图、表上进行管线连接逻辑关系检查、高程、平面坐标等标注检查，在此基础上，外业开挖，对管网埋深、平面位置精度予以验检查.

⑨数据资料检查验收.根据合同要求，整理内业数据资料、自检资料等，提交验收.

3.3技术标准及要求

一般采用同精度重复测量管线点坐标和高程的检查方式，统计管线点的点位中误差和高程中误差.地下管线图测绘精度的检查：地下管线与邻近的建筑物、相邻管线以及规划道路中心线的间距较差不得大于图上±0.5mm.

①地下管线图的质量检验应符合下列规定：

a.管线无遗漏，管线连接无错误；

b.各种图例符号、有关注记和注记格式无错误；

c.图幅接边无遗漏、无错误，图廓整饰符合要求.

②探测精度要求

a.地下隐蔽管线点的探查精度：水平位置限差δts=0.10h；

b.埋深限差δth=0.15h。当h<100cm时，则以100cm代入计算.

c.地下管线点的测量精度：平面位置中误差ms (相对于邻近控制点)不得大于±5cm；

d.高程测量中误差mh(相对于邻近高程控制点)不得大于±3cm.

3.4主要成果及精度评定

按照上述工程技术流程，通过外业测绘、内业成图，得到研究区管网探测成果1000余公里，部分成果图如图5所示.

图5　管网探测成果图

表2　管线点成果表

②精度评定

通过外业开挖，量取管线中心到固定参照物的距离，与图上距离予以比对后，计算相对精度.通过仪器现场测量管线点坐标，与前期测量坐标予以比对，计算绝对坐标，开挖后量取管顶距离地表的距离即为实际埋深，和仪器探查的埋深予以比对即可得到埋深误差.

根据误差传播规律，管线点位水平中误差为：

式中：n为探测点数，为探测点位的水平距离和实际开挖的管线水平距离之差,为差值的平方和.已探测350组数据，计算得为8.35cm.埋深中误差为8.48cm，满足规范要求.

4　结论与讨论

本文在探讨城市燃气管网探查、测绘技术方法的基础上，以四川省彭州市为例，探讨了城镇燃气管网探测的技术流程、外业探查测绘、内业数据处理、检查与精度验证的方法，得到结论如下：

（1）根据频率域电磁法，可较好地实现城镇金属管线的平面、埋深定位，而直接法、夹钳法、感应法和示踪法的选择，需根据探测条件予以确定.

（2）由于频率域电磁法需要探测管道具有导电、导磁性，城市燃气PE管道由于其不导电、不到磁，通过地质雷达探测结合图像处理技术，可实现PE管的探测.

（3）城市燃气管线仅是城市管网的一部分，城镇管网探测面临的情况复杂，在以仪器设备探测为主的同时，也需要探测人员的经验、巡线人员等予以辅助，从而提高管网探测的精度.管网探测图的绘制需要使用统一规范的符号系统和比例尺.

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责任编辑：张隆辉

TU996.9

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1672-2094（2016）04-0180-04

2016-06-12

姬斌（1981-），男，河南信阳人，成都华润燃气工程有限公司工程师.研究方向：燃气工程及技术管理工作.