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1、城市地下管线探测技术与探测设备 201年8月摘要：本文分析了地下管线探测的特点及其工作原则，阐述了目前城市地下管线探测主要技术方法、特点及其工作原理，介绍了地下管线探测相关设备.随着我国城市建设现代化的发展，地下管线探测工程也越来越多，特别是大量非金属管线的使用对于地下管线探测技术提出了更高的要求，进行地下管线探测技术研究是一个长期的问题.关键词:管线探测技术；电磁法；探地雷达；管线仪1 引言地下管线是城市最重要基础的设施,长期以来，它担负着传输信息，输送能量及排放废液的工作.它是城市赖以生存与发展的基础和保障,是保障城市功能正常发挥和人民安居乐业的神经和血管，因此被称为城市的地下生命线.但是
2、由于种种原因,我国许多城市的地下管网分布资料不全，管线档案管理不规范.近年来，随着城市建设飞速发展，在施工过程中因损坏管线而引起的停水、停电、人员伤亡等重大事故在许多城市屡见不鲜。因此探测地下管线对于城市的正常运营和改扩建具有重要的意义.2 我国地下管线探测技术发展简介使用物探方法进行地下管线探测我国开始于上世纪0年代末期。在此之前，获取地下管线资料的手段主要以向管线权属单位搜集已有的管线资料和开经调查为主,这时期获取的管线资料准确性、全面性都比较差.进入90年代,我国的地下管线探测技术得到迅速的发展，在地下管线普查工程中逐步使用了“内外业一体化”的作业模式和探测技术，一批专业化的探测公司相继
3、成立,国内许多大中型城市相继开展了城市地下管线普查工作.19年原冶金部组织制订的地下管线电磁法探测规程YB/I902和1995年颁布实施的行业标准城市地下管线探测技术规程CJ6194,推动了城市地下管线探测技术开始走向规范化,标志着以物探技术为基础的城市地下管线探测技术开始走向标准化和应用推广阶段.996年成立了原建设部科技委地下管线管理技术专业委员会，为我国地下管线探测技术的发展和应用做了大量的工作。进入2世纪以来，随着数字化测绘技术以及计算机技术的发展与应用，“内外业一体化探测技术得到了较快发展和应用推广。这一时期我国许多城市均采用“内外业一体化探测技术组织进行了地下管线普查，提高了探测作
4、业的工作效率，保证了普查工作成果的质量。200年修订后的行业标准城市地下管线探测技术规）CJJ6203，系统总结了“内外业一体化”技术经验和成果，为规范和统一技术的应用推广起到重要作用。3 地下管线探测的特点和基本原则 31 地下管线探测的特点（1）工作环境复杂，地下管线探测不仅受管线本身材质影响,同时也受到当地的埋设状况等地质条件影响；（2）地下管线种类繁多,主要有:给水管、排水管、 燃气管、电力电缆和路灯电缆、 电讯电缆、供热管道、人防通道等.由管线所形成的物理场的种类和变化较大;(3）对探测设备具有较高的要求，必须满足规程的需要。既要经济实用,能够对管线进行连续追踪,快速、准确定位、定深
5、；同时要具备多种频率，适用不同的工作环境，有较高的分辨率和较强的抗干扰性能。.2 地下管线探测的基本原则地下管线探测技术特点决定了工作原则，对于不同的管线,不同的环境需要采用相应的技术方法.根据城市地下管线探测技术规程的要求,结合实际工作经验,在地下管线探测过程中需遵循以下基本原则：（）从已知到未知。在仪器探查工作开始前应首先在区内的已知管线敷设情况的地方进行方法试验，以确定方法技术和选用仪器有效性、精度和有关参数。通过方法实验确定最小收发距、最佳收发距、最佳发射频率和功率，并确定定深修正系数.不同类型的管线仪器在不同的地球物理条件的地区,方法技术的效果不同,因此应分别进行试验,然后推广到整个
6、测区开展探查工作。在探查过程中遇到不同的管线材质或疑难问题，应随时进行方法试验,提高探测的精度。(）由易到难,从简单到复杂。开展探查工作时，应首先选择管线少、干扰少、条件比较简单的区域进行，然后逐步推进到相对复杂条件的地区；在城市综合管线探测过程中,应首先选择明显点调查较多、探测难度较小的管线种类开始，一般顺序为:排水管道通讯电缆-路灯电力电缆-供热管道-给水管道-燃气管道.（3)管线探测的技术方法有很多种，实际应用时在保证探测质量的前提下,应优先选择简单、快捷、安全有效、成本低的方法,这是由技术的经济性特点所决定的。（）在管线分布复杂区域，通过单一的技术方法是很难或无法辨别管线的敷设状况,需
7、要根据相对的复杂程度采用适当的综合方法,以提高对管线的分辨率和探测结果的可靠程度。 目前地下管线探测的主要技术方法41 地下管线按其物理性质可大致分为三类：（1)由铸铁、钢材构成的金属管线;（2)由铜、铝材料构成的电缆，如电力电缆、通讯电缆等和有线电视电缆等;（）由水泥、陶瓷和塑料材料构成的非金属管道，如排水、工业管道或某些给水管、燃气管等。上述管线与周围介质在电性、磁性、密度、波阻抗和导热性等方面均存在物性差异，因此，可以利用导电率、导磁率、介电常数和密度等物理参数，选择不同的地球物理方法进行探测。地下管线探测方法一般分为两种,一种是井中调查与开挖样洞或简易触探相结合的方法。这种方法工作效率
8、低、成本高、成果质量低，是物探技术引入到管线探测技术之前主要采用的方法，目前仅在在某些管线复杂地段和检查验收中采用.另一种是仪器探测与实地调查相结合的方法。这是目前应用最为广泛的方法。在各种物探方法中就其应用效果和适用范围来看，依次为电磁法、电磁波法（地质雷达法）、直接法和钎探法、声波法、红外辐射法、地震波法等。4。2 电磁法电磁法具有探测精度高、抗干扰能力强、应用范围广、工作方式灵活、成本低、效率高等优点，因此是目前国内外最常用的探测方法.电磁法的基本原理是利用交变电磁场对导电性或导磁性或介电性的物体有感应作用，从而产生二次电磁场,通过观测分析所激发的二次电磁场来确定地下管线的位置。应用电磁
9、法探测地下管线,通常是先使导电性好的地下管线带电,然后在地面上测量由此电流产生的电磁异常,从而来达到探测地下管线的目的。其前提是必需满足以下地电条件:（1）地下管线与周围介质之间有明显的电性差异。（2）管线长度远大于管线埋深。在此前提下,无论采用充电法或感应法,都会探测到地下管线所引起的异常。从原理上讲，在感应激发条件下，管线本身及导电介质均会产生涡流.对于那些直径与埋深可比拟的管道而言，在地表所引起的异常既决定于管线本身所产生的涡流，也决定于大地一管线一大地这个回路中的电流，以及管线所聚集的、存在于导电介质中的感应电流。金属管线的导电性远大于周围介质的导电性，所以管线内及其附近的电流密度就比
10、周围截止的电流密度大。这就好像在管线处存在一条单独的线电流。对一般平直的长管线，可近似将其看成由无限长直导线产生的磁异常.在距管线中心r(单位:m）处，其磁场强度(单位；A/m）由毕奥一沙伐尔定律求得：式中,I为流经管线的交变电流强度（单位:)电磁法通过其场源的不同可分为被动源法和主动源法两种方法。4。21 主动源法主动源法是指可受人工控制的场源，通过人工向被探测管线发射一定频率的交变电磁场,使被测管线产生感应电流，在被测管线周围产生二次场，通过观测、分析这个二次场来确定地下管线的位置。根据给地下管线施加信号的方式不同又可分为：直接充电法、感应法、夹钳法及示踪法。(1）直接充电法适用于有出露点
11、的金属管线探测。直接法有三种连接方式：双端连接、单端连接及远接地单端连接。即将发射机专用输出电缆的一端与被探测的金属管线相连接，另一端接地或接到金属管线的另一端,利用接收机搜索被探测金属管线产生的电磁信号，对管线进行追踪定位。该方法能使接收机接收到较强的电磁信号,对管线的定位及定深精度都相对较高，但管线必须有出露点，并具备良好的接地条件。 42-图 双端连接法示意图 4。-2图单端连接法示意图（2）感应法感应法是利用发射机发射本身的谐变电磁场,使被探测的地下管线产生感应电流而形成电磁场，通过接收机在地面接收地下管线所形成的电磁场，达到对被探测管线进行搜索、追踪、定位之目的。感应法适用于出露点稀
12、少而不便使用直接法探测的金属管线或电缆，该方法操作简单灵活,但容易耦合相邻其他管线上面,增加探测的难度。4.2图感应法原理示意图（3）夹钳法是利用专用的的夹钳（亦称耦合环）夹住被探测的管线，通过耦合环把电磁信号加载到被探测的管线上，以达到对管线追踪定位之目的。此方法信号强,定位定深精度高,适用于管线直径小且不宜使用直接法探测的金属管线或电缆，如电力、电信类电缆、燃气入户管线等,但管线必须有出露点,而且被探测管线的直径必须小于夹钳的大小。4.图 夹钳耦合示意图（4）示踪法示踪法原理是通过发射机将信号加载到导电线上，通过探测导电线辐射到地面的电磁信号来确定目标管线的位置和埋深。示踪法一般只适用于开
13、放式的管道，还要有能让导电线进入目标管道的观察孔、检修井等设施,且检修井的设置间距不能太远，目前主要多用于排水管道。4.25 示踪加载信号示意图4。2。2 被动源法 被动源法不需要人工对被探管线施加场源，场源来自电缆所载有的50Hz/60 H交变电流或空间存在的电磁波信号，只需用接收机接受该信号。被动源法操作简单方便，但只能对地下管线进行追踪和初步定位，不能探测管线的埋深,进一步精确地定位、定深还需要主动源法进行。(1）工频法工频法利用电力电缆中载有的/60H交变电流或游散电流汇入金属管线的电流形成的电磁场进行探测。载有电流的电缆与大地之间具有良好的电容耦合,在其周围形成交变电磁场.地下金属管
14、线在电磁场的作用下产生感应电流在管线周围形成二次磁场。使用接收机这个二次磁场从而确定地下管线的位置。2 工频法原理示意图（2）甚低频法甚低频法是利用甚低频无线电台所发射的甚低频电磁波信号（1 6H），在金属管线中感应的电流所产生的二次场进行探测。其原理是电台发射的电磁波在传播过程中,将会使管线及周围介质极化而产生二次场，由于管线与周围介质存在物性上的差异,使二次场及其总场均有一定的差异,通过测量这些差异可发现引起差异的高阻或低阻管线。许多国家为了通讯及导航目的，设立了强功率的长波电台,其发射频率为126kHz，在无线电工程中，将这种频率成为甚低频.能为我国利用的电台有:日本爱知县NDT台，频率
15、为:7。4kz；澳大利亚的WC台，频率为2.3 k;莫斯科UMS电台,频率为：17.1 z;美国的NAA电台，频率为17。8 kHz。这些电台的发射功率一般为5001000kW,发射功率大，电磁波传播远，即使在320480km处也可以将这些电台作为发射场源.4.-6 甚低频法原理示意图4。2.3 电磁法的定位定深技术（)平面位置的确定电磁法确定管线平面位置有极大值法和极小值法两种。、极大值法:亦称为峰值法,地下管线在场源激发下产生一定强度电流时，在管线正上方，地下管线形成的磁场水平分量值最大,即在管线的地面投影位置上出现极大值。极大值法又分为双水平天线(窄峰法）和单水平天线（宽峰法）。27 极大值法定位原理图b、极小值法:亦称零值法，在地下金属管线的正上方，管线所形成磁场垂直分量最小，即为“0”，也就是说地下金属管线所形成的磁场垂直分量在管线的地面投影位置上出现零值点，在垂直管线走向的方向上,用管线仪的水平线圈接收此垂直分量,根据极小值点位来确定管线的平面位置。极小值法只能确定管线的平面位置,无法测量管线的深度。4。 极小值法定位原理图（2）埋深的确定a、70
