浅析城市地下管线疑难探测的方法及应用

杜朋卫

(北京同创达勘测有限公司，北京 100081)

1 引 言

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，它就像人体内的“神经”和“血管”，担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。查清城市地下管线的现状，是城市规划、建设和管理的需要，是抗震、防灾和避免管线事故的需要，是保证市民的正常生产、生活、出行和城市发展的需要，是加快经济发展，加速现代化进程的保障。随着城市的快速发展，市政道路负载也越来越重，对地下管线的依赖性也越来越大。但在实际工作中，由于各种原因，诸多疑难管线使用常规的探测仪器和方法已经无法得到解决，由于疑难管线的数据信息无法准确地获取，经常造成工程设计过程中修改设计方案，甚至发生因施工造成的管线破坏事故。因此，摸清地下管线现状，提供准确的管线数据信息是城市规划建设、工程施工、管线运维、应急抢险等城市管理发展迫切需要的基础数据。

2 管线的探测难点

地下管线具有种类多，材质多样，权属单位不同，铺设时间不定和施工方法不同的特点，使管线经常出现纵横交叉、上下重叠的走向，同时受地面干扰源的影响，导致准确地探测出各种管线的走向、埋深、连接关系等信息具有一定的难度。归结起来，疑难管线的探测通常是指对非金属材质、非开挖铺设施工的、长距离大埋深的、检修井等明显点少的、管线铺设间距小、周边环境高干扰的管线进行准确地探测。

3 疑难管线的探测方法

3.1 选择合适的探测方法

管线探测仪的主要作业方法分为被动源法和主动源法，被动源法分为工频法和甚低频法，主动源法包括直连法、夹钳法、电偶极感应法、磁偶极感应法和示踪电磁法。由于探测仪器的信号发射与计算参数存在一定的差异，进行管线探测时，依据管线的材质与周围介质存在不同物理特性差异的特点，选择合适的探测方法和工作频率，能够有效地提高对疑难管线的探测精度[1]。

管线探测仪常用工作频率的划分：低频(10 kHz以下的频率)、中频(10 kHz～40 kHz的频率)、高频(40 kHz以上的频率)。根据探测管线的自身特点，结合本人在管线探测工作中的总结，管线探测工作模式和频率可参考表1。

探测仪工作模式和频率 表1

3.2 密集管线的探测方法

对于密集重叠的导电管线探测，应优先采取直连法探测或夹钳法探测，从而减弱相邻管线对目标管线的信号干扰。然而，在实际探测中，经常出现目标管线检修井、裸露点等明显点缺少，没有良好的接地条件等情况，无法采用直连法、夹钳法探测，从而只能使用感应法探测。根据探测仪收发线圈的设置，结合管线密集的情况，可以采取以下感应法对目标管线探测，从而得到目标管线的走向、埋深甚至是连接关系[2]。

(1)水平压线法

根据发射机线圈垂直偶极子施加信号时，不激发其正下发管线而激发邻近管线的特性，将发射机平卧，放在邻近干扰管线的正上方，从而压制干扰管线的信号，突出目标管线的信号，此方法可以有效地对平行密集管线进行探测，工作示意图如图1所示。

图1 水平压线法

(2)垂直压线法

根据发射机线圈水平偶极子施加信号时，线圈正下方管线耦合情况最好的特性，将发射机直立放在目标管线的正上方，从而压制邻近干扰管线的信号，突出目标管线的信号，此方法适合对埋深浅、间距大的平行管线进行探测，工作示意图如图2所示。

图2 垂直压线法

(3)倾斜压线法

当密集重叠的管线间距较小时，水平压线和垂直压线法的探测效果都不好，也很难探测到目标管线的信号，可以采用倾斜压线法进行探测。该方法是根据目标管线与干扰管线的空间位置分布，结合现场情况，选择发射机合适的摆放位置和倾斜角度，通过调整发射机的摆放姿态，使发射线圈轴向面对干扰管线的前提下，尽可能地将发射机放置于目标管线上方，确保发射机有效地激发目标管线，压制干扰管线，从而对目标管线进行有效地探测，工作示意图如图3所示。

图3 倾斜压线法

3.3 非金属及深埋管线探测的方法

随着城市建设的快速发展，地铁、高架桥、地下建筑的新兴建设，以及顶管施工技术的发展，深埋管线日益增多，对于深埋管线的界定，通常把管顶深度大于 3.0 m的管线定义为深埋管线。同时因为非金属管材管道具有无毒、无锈、使用寿命长的性能，越来越多的专业管线选择铺设非金属管道。所以，在进行地下管线探测工作中，经常会遇到大埋深管线或者非金属管线，由于此类管线电流传输衰减快或者不具备导电的条件，使用电磁感应法不能对此类管线进行探测，如果需要探测此类管线，探地雷达法是目前主要使用的方法。

(1)探地雷达探测原理

探地雷达是近几年迅速发展起来的高分辨、高效率的无损探测技术，是目前解决非金属管线探测最为活跃的技术方法之一。探地雷达一般由便携式计算机、主机、天线、电源及其他附件组成，采用高频广谱的电磁探测技术，通过向地下发送脉冲形式的高频宽带电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标时，如空洞、地下管线时，电磁波便发生反射，地面天线对反射回的电磁波进行信号处理和分析，根据信号的波形、幅度、强度等参数推断地下目标的位置、结构和几何形态，从而达到对地下管线的探测。因为不同的介质内有不同的电磁波传播特点，电磁波会出现反射、透射或折射的现象，探地雷达正是利用这样的电磁波特点进行工作的[3]，工作示意图如图4所示。

图4 探地雷达工作示意图

(2)天线频率的选择

通常，把探测时所采用的天线中心频率定义为探测频率，而实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带，探测频带主要影响探测的深度和分辨率。当探地雷达工作在介电极限条件时，高频电磁波的衰减几乎不受探测频率的影响，比如，电磁波在空气中传播，由于不存在传导电流，电磁波不发生衰减。但实际上，由于大地电阻率一般都比较低，高频电磁波在传播过程中感应出传导电流而发生振幅衰减，其衰减的程度随电磁波频率的增加而增加[4]。

探地雷达的发射频率从十几兆到数千兆，雷达天线的频率和天线发射的子波波长直接相关，探地雷达天线频率越高的其电磁波波长越小，探测目标管线时深度就越浅，但分辨率就越高，适合对小规格管线进行探测。反之，频率越低的天线其电磁波波长越长，其探测深度越大，分辨率就越弱，适合对大管径、大埋深的管线进行探测[1]。通过在北京地区的一些探测案例，来分析探地雷达不同天线的有效探深和最小分辨率，如表2所示。

不同天线的有效探深和最小分辨率 表2

根据表2数据统计，一般情况下，探地雷达探测的有效深度为电磁波波长的5倍，探测的有效最小分辨率为探测深度的1/20。但在实际工作中，考虑到地下土体密度和含水量分布不均匀等因素，导致最小分辨率下降，工作中宜取最小分辨率为探测深度的1/10。

因此，在选择探地雷达进行探测时要根据实际情况结合目标管线的探测深度和规模大小，综合考虑分辨率和探测指标，以选择频率合适的天线。一般来说在满足探深而且场地条件允许时，应该尽量选择使用频率高的天线，常用雷达天线频率及探测深度如表3所示。

常用雷达天线频率参数 表3

(3)项目案例

北京市房山区引磁入房输水工程是北京市重点工程，输水管线建设于1996年，起于河北镇磁家务村，止于房山区良乡城区，是房山区重要的水资源管线，担负着房山区供水补给功能。管线全长 27 km，全线采取UPVC管材，管径为 DN400 mm～DN700 mm，平均覆土深度为 1.50 m～5.00 m，管线最大高差 47.00 m。管线包括输水管线、水厂及配水网三部分，输水管线沿途地形复杂，铺设凹凸起伏，共穿越13个乡镇，15个行政村，8次穿越河流，7次穿越公路，2次穿越铁路，并数次穿越其他管线。

此输水管线由于建设年代久，缺少管线基础资料，为了能够查清该输水管线正确的位置、埋深及连接关系，北京同创达勘测有限公司承担了该输水管线的探测任务。经过现场踏勘，发现管线沿线检修井等明显点少，沿途多为农田和村庄，沿途地形起伏变化大，而且该输水管线材质为UPVC，使用常规的金属管线探测仪无法对其进行探测，为了能够准确地探测出管线的位置及埋深，北京同创达勘测有限公司选用了加拿大Pulse EKKO PRO探地雷达进行探测。

现场探测前，首先对探测场地内的电磁波速度进行现场标定，选择距离探测场地最近的管线明显点，用探地雷达实测雷达波反射传播时间t，并量取管线顶部实际埋深h，计算此处地下电磁波速度v=2*h/t作为本次探地雷达的波速[6]。

根据现场探测环境、目标管线规格及概略深度，为了保证探测深度、位置精度能够满足探测精度要求，选择 100 MHz和 200 MHz两种频率的天线进行探测，探测时采集间距设为 0.1 m。根据现场地形情况，共布设测线50条，测线间距约为 15.0 m，测线长度平均为 10.0 m～15.0 m，探测示意图如图5所示。

图5 探地雷达测线示意图

(4)探测结果

根据探地雷达波的探测原理，当两个介质的介电常数相差较大时，雷达波会发生明显的反射、绕射等现象。通过现场探测，发现当探地雷达探测至目标管线正上方时，电磁波在介质中的走向有明显的变化，雷达数据经过处理后，可以清晰地看到目标管线的雷达成像图，同一探测位置两组不同频率天线的雷达波图形如图6、图7所示。

从图6、图7雷达波图形成像中，可以清晰地看到目标管线与周围介质之间存在足够的电性差异，对两种天线探测的结果对比发现，不同天线探测目标的位置一致，探测深度差异不大，探测结果有效。

图6 100 MHz天线雷达波形图

图7 200 MHz天线雷达波形图

3.4 非开挖管线探测的方法

非开挖技术通常是指在地表无须挖槽或以最小开挖量的条件下进行各种地下管线的铺设、更换或修复的一种施工新技术。由于非开挖管线施工工艺绝大部分工作面在地下，与地面连接少，几乎对交通没有影响，对环境、噪声的影响也都比较少，被广泛地应用在地下管线施工建设中[7]。

根据非开挖技术的施工特点，非开挖技术主要应用于新建管线穿越道路、铁路、河流以及地表受保护的区域，以减少因地下管线施工对地表建构筑物造成的影响及损坏。非开挖施工的管线一般为非金属管线，且具有埋设较深、管线水平走向及埋深变化灵活等特点，常规的探测方法无法对其进行准确地定位、定深。因此，非开挖施工管线的探测目前已成为探测的难点，对于此类管线一般采用探地雷达法、陀螺仪定位法、导向仪探测法、穿线法(示踪探测法)等补充探测手段。根据各种探测方法所需的仪器设备成本及工作效率，通过北京同创达勘测有限公司实施的项目案例重点分析导向仪探测法、穿线法在非开挖施工管线探测中的应用。

(1)项目案例

在浦东新区自贸区区域地下管线普查项目中，大部分的电力、通信管线采用了非开挖施工的方式铺设，且已铺设的管线中大部分为空管未进行电缆穿线，给管线的探测工作增加了很大的难度。

探测管线位于浦东新区江东路东侧一条通信管线，通信管线规格为 180 mm*120 mm、材质为PE、孔数为24孔、人孔内埋深 1.12 m、去向不明。由于通信管线单孔管径较小，平均为 30 mm～50 mm，陀螺仪无法将主机拖入管道内，因此，对于此类管线无法采用陀螺仪进行定位测量。结合现场探测环境及探测精度，现场采用了导向仪探测法、穿线法两种探测方法，对通信管线进行了探测，并对探测结果进行比对。

(2)导向仪探测

现场采用导向仪进行探测，探测示意图如图8所示，包含接收机与传感器，并配备穿管设备，导向仪的传感器就是一个小型发射源，利用穿管设备将传感器送至管道内，再用接收器接收跟踪传感器在地面的位置及深度，从而查明管道的走向和埋深。采用导向仪对管线进行探测前，需要对导向仪进行校准，一般情况下，平均每 5 m进行一次定位、定深，以反映管线的位置及深度，导向仪探测数据如表4所示。

图8 导向仪探测示意图

导向仪探测数据 表4

(3)穿线法(示踪探测法)

现场已采用导向仪对管线进行了探测，为了对探测数据进行核查，同时为了验证穿线法探测的数据精度，对同一通信管线采用穿线法进行了二次探测，探测位置与导向仪探测为同一管线点。

一般的示踪探测法需要地下管线探测仪配备示踪仪，并配备穿管器，将能发射电磁信号的探棒(示踪探头)送入管道内[8]，使用探测仪接收机在地面接收探棒信号，以完成管线的定位、定深。

通过导向仪的探测数据分析，目标管线埋深差异很大，已经超出了探棒的探测范围，使用探棒无法完成对管线的探测。因此，针对此类管线，我们在管线探测工作中，研究了一种利用示踪线进行管线探测的方法(穿线法)。

穿线法探测时，需要使用地下管线探测仪、穿管器以及导电性好的电线，将探测仪发射机工作模式调整为直连法，将发射机产生的交变电流，一个输出端与电线一端连接，另一端与接地电极连接。通过穿管器将导电电线送入管道内，使电线另一端穿过管道，从管道另一端露出，现场有条件时，可将电线另一端接地，穿线法探测数据如表5所示。

穿线法探测数据 表5

(4)两种探测方法结果对比

现场采用了两种探测方法对目标管线进行了探测，两种探测方法均能有效地对目标管线进行定位、定深，经过现场量距记录，参照《城市地下管线探测技术规程》中规定，隐蔽管线点的平面位置探查中误差和埋深探查中误差分别不应大于 0.05 h和 0.075 h，其中h为管线中心埋深，单位为毫米，当h<1 000 mm时以 1 000 mm代入计算，且以2倍中误差作为极限误差，两种探测方法数据差值如表6所示，测深图如图9所示。

两种探方法数据差值表 表6

图9 两种探测方法测深图

通过计算，发现采用穿线法探测的深度均比导向仪探测的深，而且深度差值与管线深度没有关系，我们可以把这种差值认为是穿线法测深的误差。经过对比，两种方法对管线隐蔽点的定位、定深误差均小于技术规程中规定的误差，探测精度满足技术规程要求。

4 结 语

本文通过对地下管线探测工作中的难点进行了分析和总结，虽然目前城市地下管线分布复杂，管线的施工工艺差异很大，大管径、非金属及深埋管线日益增多，要探明管线的走向、埋深、连接关系已成为管线探测工作中的难点。但是，实际工作中可以针对不同的现场，借助不同探测设备的优点，采用多种探测方法进行交叉探测，同时认真分析查阅相关资料，能够更好地提高探测效率和数据精度。