拖拉管等疑难隐蔽管线探测技术方法研究

吴 杰 李志勇

（深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518026）

随着社会的发展，城市土地资源日益稀缺，管道埋设不断往深层发展，加上城市管理要求尽量减少在城市中对道路进行“开膛破肚”等大规模破坏性施工，并且拖拉管技术和工艺日益成熟，在管道铺设中得到大量应用，城市拖拉管线越来越多。由于拖拉管敷设管道不需要开挖地面，能穿越地面构筑物及公路、铁路、河道，从而节省大量投资和时间，是对传统开挖法管线施工的一次技术革命，近年来在电力、通信、给水、排水、燃气管线的施工方面得到了广泛的应用。由于拖拉管敷设的管线走向不按常规、埋深大（ h >5m），已超出了目前市场上的地下管线探测仪器标称的勘探深度。因此，本文针对几种探测方法的基本原理、适用性、有效性，结合实际工程案例，介绍电磁示踪法、管道陀螺仪测量法、探地雷达探测法、井中三分量磁测法及电磁波CT法在拖拉管线探测中的应用，并取得了较好的效果。

1 探测方法

1.1 电磁示踪法

示踪法是将能发射电磁信号的示踪探头或是示踪线送入非金属管道内，在地面上用仪器追踪信号，通过测定信号最强位置进行管道定位，通过管线探测仪的70%方法进行定深，逐点定位、定深，便可绘制出拖拉管的三维空间状态。其中，示踪线法又分为主动源法和被动源法。在管线密集的情况下，采用主动源示踪线法的探测效果要好于被动源法。主要用于探查有出入口的非金属管道。使用示踪法探测时，现场必须有放置示踪探头或是示踪线的出入口，而且应用主动源示踪线法时还需要具备良好的接地条件。示踪法方法原理如图1所示。

图1 示踪法方法原理图

优点：经济、实用、简便、快捷；探头相对便宜，卡孔损失小；探测精度较高；穿线方便；非金属管道探测效果好；管径不受限制等。

缺点：仅适用于空管；管道两端需要开口状态；受穿线条件限制，管道长度不能太长；探测深度受限制（﹤10m）；金属管道探测效果较差等。

案例：深圳市龙岗区雨污分流工程的某小区，需查明小区排水管网分布情况。因早期小区地面改造，将部分排水管道的检查井掩埋，导致本项目无法完整查明小区排水管网分布情况。采用探地雷达进行扫描性探测，受地形、地物等周边环境影响，部分区域有探测信号，部分没有探测信息碎片化，无法准确判断管线连接关系，查明管线相关信息。经综合分析，采用CCTV机器人携带示踪探头进行探测，既查明了排水管线的走向、连接关系，通过CCTV视频也采集到管道的材质、管径、检查井位置等信息，顺带也做了一下管道内窥检测，保证了工程设计、施工的顺利完成，小区雨污分流验收达标。

1.2 管道陀螺仪测量方法

陀螺仪的原理：“一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。” 根据这个原理，用它来保持方向，制造出陀螺仪（gyroscope），应用于管道测量的就是管道陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。陀螺仪用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。然后，陀螺仪和加速度计分别测量定位仪的相对惯性空间的3个转角速度和3个线加速度延定位仪坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为延导航坐标系的加速度。并运算出定位仪的位置、速度、航向和水平姿态，若给定坐标系统以及起终点坐标、高程，便可计算管道陀螺仪运动经过的每一个点的坐标、高程，从而绘制出管道的三维空间位置。

优点：系统运行不受地形、电磁波、磁场等外界因素干 扰，不受管道埋深影响，适用各种口径、材质和埋深管道，测量速度快，测量精度高。

缺点：主要适用于管道两端有开口的空管，封闭管道或带载体物质的管道目前操作十分繁杂；仪器设备价格高，管道中作业若出现事故处理十分麻烦；误差会累计，一次测量长度太长会导致后端测量误差达不到精度要求。

案例：深圳某地下快速通道建设工程，有一根高压电力管线横穿线路影响快速通道的盾构施工作业，需精确查明该管线的空间赋存状态。该电力管线外套DN1200mm钢管，内衬DN200mm和DN150mmPE套管各20根，内穿电缆20根，最大埋深12.5m，两侧均有检修井。因管线成弧度走向，地貌、地物等周边环境复杂，埋深大，采用管线仪感应法、直连法、自动源法、示踪法及探地雷达、地震影像法、瑞雷波法探测均没有效果。最终采用管道陀螺仪进行测量，绘制出管线的三维空间状态。成果资料提交后，地铁设计、施工根据探测结果做了相应调整，保证工程得以顺利完成。本工程电力管线平面图、剖面图如图2、图3所示。

图2 电力管线平面图

图3 电力管线剖面图

1.3 探地雷达探测方法

探地雷达勘探方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz~1GHz）电磁技术，利用发射天线发射高频宽带电磁波，接收天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。埋设地下的管道与周围地层的电性差异较大，容易形成强烈的反射波；同时，管道上表面也是地层的突变点，常常会产生绕射波，而绕射波在时间剖面上为双曲线反映。因此，根据接收波的旅行时间、幅度与波形信息，通过时间剖面上的特征图像，就能确定管道的位置及深度。电力管块探地雷达图如图4所示。

图4 电力管块探地雷达图

主要用于探测埋深较浅的电力、电信管块和排水、供水、燃气等大口径管道。图像直观，容易判读；精度可控；操作简单、快速。但受地形、地物、电磁等外界因素干扰较大。

案例：深圳市龙华观澜某电力业扩工程，需新增2根电缆，为节省投资，设想利用现有电力线路，在现有电力管块的空管穿线或方沟中布线，但该路段因往年道路施工的原因，电力管线及附属设施已全部掩埋，无法调查管线详细情况，埋设方式、几何尺寸或管块孔数、电缆根数及布设位置、埋深、走向及检修井都不明。采用管线仪自动源法和感应法探测都有明显信号，证明存在电缆，但无法查明其他信息。根据技术方法论证，利用探地雷达穿透力强、信息丰富等特点，采用探地雷达对该电力管线进行探测，从地质雷达图像上可以看出，该电力管线为5×8共40孔管块，套管管径150mm，已有36孔穿线，块顶埋深约为1.20m。后经施工开挖揭露，实际情况与探测信息相符。

1.4 井中三分量磁测法

井中三分量磁测法是测量钻孔中不同深度磁场的X 、 Y 、 Z 这3个分量，计算出磁异常，从而判断孔旁或孔下方有无磁性物体。一般应用于带磁性管线的垂直方向精确探测，即用于精确探测管线的埋深。

探测方法：在距离目标管线一定距离的一侧或两侧钻孔，采样间隔为管线半径，三分量磁探头至上往下逐点测量，再自下往上逐点测量，然后通过分析磁强度曲线便可确定管线的位置埋深。电力三分量磁测法信号图如图5所示。

图5 电力三分量磁测法信号图

该方法的优点是可以精确测量管线的埋深，特别适合查明影响地铁盾构、顶管、拖拉管等地下工程施工并且以高程为主控因素的管线。缺点是无法精确查明管线的平面位置，探测前需要钻孔导致费用高、工期长，并且受地下磁性埋藏物干扰大。

1.5 电磁波CT法

电磁波CT法是利用无线电波（工作频率0.5～32MHz）在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强的大小，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法，也称孔中无线电波透视法。当电磁波通过不同的地下介质（如各种不同的岩石、矿体及溶洞、破碎带等）传播时，由于不同介质对电磁波的吸收（β）存在差异，如溶洞、破碎带等的吸收系数（βs）比其围岩的吸收系数（βo ）要大得多，因此，在溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常，像阴影一样，就是利用这一差异推断目标地质体的结构和形状。该方法主要应用于拖拉管的精确探测。优点是可以精确查明管道的三维空间位置，资料判读比较直观；缺点是需要在管道两侧打一排钻孔，工作麻烦，工期长，费用高。

案例：深圳市宝安区某大道修建地铁，管线普查时发现某路口有一根高压电力管线横穿拟建地铁线，该电力管线为2X3管块，6根PE套管中都穿了电缆，无法采用示踪法、管道陀螺仪进行探测。道路两侧有电力检修井，采用管线仪夹钳法追踪探测，在距离检修井不到5m处探测信号很快衰减到无法判读，两边一致；采用探地雷达进行探测也没有信号反应。经推测该管是采用拖拉法施工埋设，成垂向弧形穿越道路，埋深大且不同位置埋深不一样，该管空间位置可能与地铁盾构施工相冲突，需精确查明该电力管线的空间赋存状态。经地球物理性质论证，电力管块与周围地层存在对电磁波吸收的差异，且电缆带电存在磁性，可以采用电磁波CT法和井中三分量磁测法进行探测。在电力管线两侧按孔距3m打两排一一对称的钻孔，孔深10～20m，然后采用电磁波CT法和井中三分量磁测法分别进行探测，两种数据相互印证解释，两者探测结果基本一致。成果资料提交后，地铁设计、施工根据探测结果做了相应调整，保证工程得以顺利完成。本工程采用电磁波CT法结合井中三分量磁测法探测出的电力管线平面图、剖面图如图6、图7所示。

图6 深圳宝安区地铁工程采用电磁波CT法+井中三分量 磁测法探测的管线电力平面图

图7 深圳宝安区地铁工程采用电磁波CT法+井中三分量 磁测法探测的管线电力剖面图

2 结语

本文使用的5种探测方法用不同的技术手段解决了拖拉管等疑难隐蔽管线探测问题，根据最终的应用效果，可得到以下结论：①在拖拉管等疑难隐蔽管线探测工程中，根据工程实际情况，结合各种探测方法的优缺点论证其有效性和适用性，选择合适探测方法，可以得到较好的应用效果。②示踪法因其经济、实用、简便、快捷等特点，在拖拉管等疑难隐蔽管线探测中广泛应用，前提条件是需要有开口的空管，假如结合管道爬行机器人技术，应用范围会更广。③管道陀螺仪测量方法将探查和测量技术融为一体，直接绘制出管线的三维空间状态，数据稳定、可靠，缺点是仪器设备价格贵，管道中作业万一出现事故不好处理。测量时还需注意其误差的累计对测量精度的影响。④探地雷达属于比较常规的管线探测技术，应用较广，但受地质背景、场地条件等因素的影响，对埋深稍微大一点（>5m）的管线探测就无能为力。⑤井中三分量磁测法可以精确探测带磁性管线的垂向位置，但对管线平面位置的探测效果欠佳；电磁波CT法可以精确探测管线的三维空间状态，但受管线与周围介质对电磁波吸收率差异的制约，会存在探测盲区，一般将孔中三分量磁测法和电磁波CT法结合起来用，相互印证、相互解释，以提高探测准确率和精度。