城市地下管线探测方法的应用研究

宋 健

（中煤航测遥感集团有限公司新疆分公司，新疆乌鲁木齐 830004）

1 地下管线探查方法的分类

在实际的管线探查作业中，根据探测对象的材料及其所处深度和地质条件的不同，可选用各自适用的勘探方法。目前，主要有两种方法探查地下管线，一种是测井与钻探或钻探相结合；另一种是使用地下管道探测器[1]。本文主要论述物探方法，大致可分为电探测法和磁探测法。

1.1 电探测法

电探测法是一种地球物理探测方法，也被称为电法探测[2]，可分为直流电探测和交流电探测。

（1）直流电探测法。

该方法手动利用两个供电电极提供直流电，电流由正极提供，并返回负极，在地下形成电流密度分布空间。有金属管道时，由于金属线的良好导电性，对电流具有吸引力，电流密度的分布异常；塑料管和水泥的电导率非常差，电流对电流具有排斥效果，有塑料管和水泥在地下时，电流密度的分布也会异常。通过布置在地面上的两个测量电极可以观察到这种异常，可以找到金属管道或非金属管道及其各自位置的存在。使用直流电探测法的前提是金属管道或非金属管道周围的土壤层导电率存在差异。

（2）交流电探测法。

交变电磁场在具有导电性、磁性或介电性的物体上产生感应或辐射，利用这一特性，通过观察感应物体或辐射物体产生二次电磁场，常用的交流电探测法主要有电磁法、电磁波法（探地雷达法）。

1.2 磁探测法

在地球磁场的作用下，铁管容易磁化，磁化管的磁性强度与管道的铁磁材料有关，铁管磁性强，有色金属管无磁性。与磁性管类似，磁化铁管的磁化率较强，自身存在磁场，磁场与周围材料的磁性差别非常明显，可以探测铁管并计算其埋深。

2 地下管线探查技术的方法

地下线路勘探的主要目的是对地下线路进行现场勘探和勘察。管道工作的关键是确定管道的位置和深度[3]，地下管线勘探阶段的核心问题是能否合理选择满足勘探精度要求的定位和定深的技术。

2.1 频率域电磁法

频率域电磁方法利用发射器将连续正弦波电磁场发射到地球或管道，工作频率通常低于106 Hz，通过直接或电感耦合充电的地下管道。接收器检测由流过管道的电流（也称为涡流）产生的磁场，通过观察磁场的变化定律确定管道的位置，管道检测的电磁方法可以分为主动源和被动源。发射器选择信号频率后，通过直接（或电感）耦合方法将活动源应用于管道，被动源使用超长通信站发射的电磁波作为场源，或使用电力电缆本身的50 Hz频率执行检测工作。

根据电磁学的知识，磁场在承载无限长电流的导体周围的空间中，可以检测给定空间内的磁场。地下管道能够承载电流并将其理想化为无限载流导体时，可以间接测量地下管道的空间状态[4]。在勘探过程中，发射器在金属管道或电缆上添加一个备用的主场源，被激发产生感应电流，周围产生一个次级磁场。由地面接收装置（接收器）测量二次磁场及其空间分布，根据分布特征确定地下管道水平位置和深度。

电磁法工作原理如图1所示。

图1 电磁法工作原理

2.2 电磁波法

电磁波法是一种物探方法，又称探地雷达法[5]（GPR），利用超高频电磁波探查地下介质分布，可以探测地下金属和非金属目标。探地雷达（GPR）主要利用介质间的介电性、导电性和导磁性的差异进行探测，常用于电磁感应管道仪器难以探测的非金属管道探查工作中，如地下人防隧道、排水管道等。现阶段实际运用的地质雷达大多使用脉冲调幅电磁波，发射、接收装置采用半波偶极天线[6]。

3 试验

3.1 试验背景

近年来，乌鲁木齐市相关部门逐渐认识到地下管线的重要作用与地位。2003年，乌鲁木齐市首次开始地下管线普查工作。该项目投资3 000万元，对城市所属主、次干道，以及宽度在4 m以上的巷道的供水、排水、燃气、热力、供电、通信、消防、工业管线8大类、30多种地下管线进行了探测。

城市管线普查是提升城市地下空间管理和城市规划的关键基础性工作。为全面系统地做好乌鲁木齐市地下管线检测工作，取得管线实况，统一城市管线检测技术要求和基础资料编制，开展乌鲁木齐市地下管线检测工程。

3.2 作业流程

地下管线探测作业流程如图2所示。

图2 地下管线探测作业流程

地下管线探测作业前，为了更好地掌握作业中地下管线的分布情况，方便地下管线的探测，获取作业区现有的地下管线资料和测量资料，数据采集主要由项目负责人、业主及相关管线权属单位完成。现有地下管线资料及相关测绘资料的收集主要包括现有地下管线图、管道设计图、施工图、竣工图及技术规范、相应比例尺的地形图、工作区域及附近测量控制点的坐标和高程。

开始探测作业前，应对作业区域内进行现场踏勘，了解作业区域内的各种环境情况和自然条件，检查、分析已收集资料的可利用程度和现场资料的保存情况，以便指导地下管线探测作业，合理安排工程进度，制定切合实际的施工设计方案。

踏勘的主要内容包括检查和校对收集的数据，评估数据的可靠性和可用性；检查作业区的地面物体、地貌、交通及地下管线暴露情况、地球物理条件及其他可能干扰地下管线探测作业的因素；检查作业区测量控制点的位置和保存情况，地形图与现场对比是否真实；收集作业区内医院的分布地址和行车路线，便于伤亡人员的应急救援。

进行地下管线的探测、控制测量以及管线点的测量，控制测量时，应根据已有的测绘资料进行分析和方案设计。测区内有业主提供的地形图，但地形变化较大，不能完全满足作业要求。需要对地形图进行大量的修测工作，测区内有乌鲁木齐城市测绘院提供的C级GPS点和四等水准点，可作为加密控制测量的起点。测区内还有一个次级导线点和E级GPS点，可作为三期测量图根导线的起点，满足管道测量的需要。在控制点密度不足的地区，可以选择城市四类GPS点加密，按照逐级控制的原则，在四类GPS点的基础上，对市Ⅰ级、Ⅱ级导线点进行测量。

地下管线点的测量是在勘探作业完成后提供勘探示意图，以物探点数量、管道方向、位置、连接关系等为基础进行管道测量。

采用全站仪导线串测量法或极坐标法对地下管线点平面位置进行了综合测量。采用导线串测量方法时，其精度和技术要求应符合国家标准，执行准测量规范中导线的精度要求；采用极坐标法时，测距边不大于150 m，定向边为长边，高程采用间接水准测量。在测量过程中，应收集地下管线点的空间数据采集和编码，所有管线点采用全站仪直接测量，直接记录。

3.3 数据处理

内业数据处理一般采用专业的数据处理软件进行管线数据的处理，在乌鲁木齐市地下管线探测工程中使用《煤航管网数据处理系统》进行数据处理。根据GIS的现行体系和方法完成数据库的建立相关工作，对空间数据进行实时有效管理。为了保证入库后的数据完整、准确，需要根据系统规范将原始测量数据进行转换，为图形要素添加要素标识。数据建库的目标就是按照GIS规范将原始数据进行编辑、处理、转换等处理工作，使得最终数据库成果能够满足GIS空间数据的管理、查询、应用等功能。

数据处理界面如图3所示。

图3 城市地下管线探测管线数据处理界面

软件的基本模块包括管道输入、数据错误检查、逻辑处理、图形工具和结果输出等。

工作流程如图4所示。

图4 城市地下管线探测管线数据处理工作流程

录入外业数据，准确性将直接决定工程成果的最终质量，核对并完成外业数据录入后，外业探测手簿、外业记录及工作日志也需要妥善保存。

数据录入人员在用专用软件录入数据，建立管线资料数据库前，应核对每天探测区域内的探测数据，无误后再进行录入。数据录入前，程序管理员先按照相关规范要求对各管线属性数据进行相应代码链接字段的匹配设置，以便在数据录入工作中避免烦琐的文字输入，只需要选择相应的代码或数字就能直接输入相应的属性数据，提高录入效率及精度。

录入界面如图5所示。

图5 地下管线探测管线数据录入界面

数据处理的最后步骤是根据管线资料数据库，使用专用成图软件生成管线图草图。

管线绘制界面如图6所示。

图6 城市地下管线探测专业管线绘制界面

完成草图绘制后，相关作业人员需要再次对管线在地下空间的分布情况和相互关系进行核实检查，针对存在问题或疑问的部分，到探测区域进行确认、修正，更新管线数据库，确定管线草图准确无误后生成管线图。根据相关专业的要求，应当在每个专业的管道图中注明管道所用材料、管道直径或截面尺寸，各类管道的标记颜色应与综合图中的标记颜色一致，内容、格式按工程和国标的相关规定执行。

3.4 小结

本文主要对地下管线检测方法在工程中的应用进行了分析和总结，讨论了电磁法中的夹钳法、感应法、直接法、追踪法以及雷达法和机械挖掘法在实际检测中的效果。

（1）探测目标如果是未有出露点的金属管线，可考虑采用电磁感应法。根据目标管线周围其他管线的敷设情况，改变信号发射源的施加位置，在一定程度上能够提高电磁感应法的探测效果和精度。

（2）探测目标如果是线缆类或管道类，且其管径不大于使用仪器标配夹钳的尺寸范围，可通过采用夹钳法探测目标管线，可以精确探测目标管线。本文研究的方法中，夹钳法对目标管线定位、定深精确度最高，抗干扰程度也最大[7]。

（3）如果目标管线的周围接地条件良好，且为有出露的大管径金属管线，可考虑采用直接法进行管线探测，可获得较好的探测效果。

（4）使用常规探测方法无法获得目标管线探测数据的情况下，如果目标管线的情况符合示踪法作业条件要求，可以采用示踪法作业解决此类探测难题并获得相关目标管线精确数据。

（5）本文研究的探测方法中，雷达法是解决探测管线疑难问题的主要方法，但受地电条件的限制，获得的数据一般是经验和试验的综合值。如乌鲁木齐市地下管线探测项目中运用雷达法探测剖面22条，目标管线有明显异常的剖面9条，有效作业率为41%，还有59%的探测疑难问题需要采用其他作业方式和手段进行处理。

4 结语

地下管线的探测工作是一个综合性的系统工程，涉及地理信息、测绘工程等多专业多学科。本文全面探讨了地下管道检测方法的分类及其在城市地下管道检测中的重要性和作用，结合乌鲁木齐地下管道检测项目作为实例，着重讨论分析电磁法和雷达法在实际工作中的应用。经研究发现，地下管线探测方法发展至今，具有了高精度、高效率、多样性、灵活性等特性，但存在技术瓶颈，如探测非金属管线、超深地下管线等，目前的探测方法中还无法有效处理此类管线的非开挖探测技术需求，此类技术难题的解决还需要进一步分析、探讨。在未来的城市建设、规划与管理中，对管线数据精度的需求会越来越高，管线探测的方法将直接决定管线数据的精度，进行城市地下管线探测方法的研究十分必要。