曹震峰

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州510060)

一、引 言

城市地下管線在每個現(xiàn)代城市都扮演著極其重要的角色，是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。管線竣工測量系指城市規(guī)劃部門對批準(zhǔn)新建(擴(kuò)建或改建)的各類市政管線在施工過程中，由測繪單位根據(jù)管線規(guī)劃設(shè)計、審批的相關(guān)要求及規(guī)劃條件進(jìn)行管線工程的相關(guān)測量活動。竣工驗收測量的成果數(shù)據(jù)將作為地下管線的不動產(chǎn)登記的主要依據(jù)，同時也是管線工程規(guī)劃驗收和管線信息動態(tài)管理的基礎(chǔ)。

超高壓燃?xì)夤艿?一般指壓力＞4 MPa)是城市能源供給的大動脈，它與城市的工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和人民生活息息相關(guān)，直接關(guān)系到城市安全及社會穩(wěn)定，也是城市重要地下管線管理對象之一。

該管道竣工測量另一個的特點是管線鋪設(shè)多采取分段施工，工期較長，施工受征地、拆遷和開挖等因素影響較大，覆土前不易跟蹤測量，不少管段還采用非開挖穿越方式鋪設(shè)等。這些因素增加了超高壓燃?xì)夤艿捞綔y的難度，也對竣工測量提出了新的技術(shù)要求。

二、探測方法技術(shù)及措施

1．電磁法探測

高壓燃?xì)夤艿赖牟馁|(zhì)一般為鋼，具有良好的導(dǎo)電性，管道外壁均有絕緣的外防腐層保護(hù)，與周圍土壤等介質(zhì)有明顯的物性差異，也為使用電磁法的管線儀探測管線位置及埋深提供了良好的物理前提。所以，電磁法探測仍然是該管道竣工測量的主要方法。

從地下管線的探測方法原理上講，當(dāng)忽略地介質(zhì)和空氣的變化影響時，若導(dǎo)線直徑遠(yuǎn)小于埋深，則管道可視為均勻介質(zhì)中的一條無限長直導(dǎo)線。當(dāng)將交變電流I0e－iωt加載到管道上時，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，其總電磁場強(qiáng)度和分布規(guī)律符合下面公式

式中，H為磁場感應(yīng)強(qiáng)度;I0為導(dǎo)線中的電流幅值;r為距離導(dǎo)線中心的垂直距離。

磁場的水平分量Hx和垂直分量Hz分別為

式中，h為導(dǎo)線的埋深;x為觀測點到導(dǎo)線在地面投影的垂直距離。

通常情況下以觀測Hx或ΔHx(峰值法)進(jìn)行管線的探測定位，ΔHx、ΔHz曲線形態(tài)見圖1。

圖1 管道的電磁場異常ΔHx、ΔHz曲線圖

在低頻電磁法的工作頻率范圍內(nèi)，電磁場的衰減系數(shù)b可用公式描述

式中，ω為工作頻率;μ為磁導(dǎo)率;δ為電導(dǎo)率。

由此可見，電磁場的衰減，在其周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率一定時，其衰減系數(shù)與頻率的平方根成正比。也就是說，管線儀的工作頻率越高，電磁場的衰減就越快，傳播距離越短，反之則衰減慢，傳播距離較遠(yuǎn)。

2．探測方式及參數(shù)的選擇

有兩種方式向管道施加信號，一種是通過電導(dǎo)體連接直接把信號施加在管道上(直連法)，即發(fā)射機(jī)將信號電流直接加載在管道上而產(chǎn)生一個電磁場(一次場)信號，通過接收機(jī)探測一次場的分布來確定管道的位置和埋深。該方法的優(yōu)點是信噪比高、不易受臨近管線干擾，探測結(jié)果比較準(zhǔn)確;局限是探測時需要有檢測樁或管道裸露點來施加信號。

另一種是通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個交流電磁場，以感應(yīng)的方式在管道上產(chǎn)生交變電流，感應(yīng)電流會再以管道為中心形成另一個電磁場(二次場)。通過接收機(jī)探測二次場的異常分布來確定管道的空間位置(感應(yīng)法)。它優(yōu)點是使用簡便、無需有管道的裸露點，缺點是感應(yīng)信號相對弱、易受干擾，特別是當(dāng)管道附近有其他淺表金屬管線時，易被干擾而造成探測結(jié)果不準(zhǔn)確。

管線的定位方式有峰值法和谷值法兩種，工作中一般采用峰值法定位和測深。

管線探測工作模式建議以直連法為主，感應(yīng)法為輔。首先，利用高壓燃?xì)夤艿赖年帢O保護(hù)(或犧牲陽極)檢測樁，采用直連法探測;在受現(xiàn)場條件限制無法用直連法探測的區(qū)域，再采用感應(yīng)法探測。但放置發(fā)射機(jī)宜避開或垂直非目標(biāo)管線，以減少非目標(biāo)管線的影響。

埋深宜在相對直線段進(jìn)行，采用70%法正、反向測定，當(dāng)其互差符合規(guī)定時，取兩次測定的平均值為管線中心埋深。

對于工作參數(shù)的選擇，從上述公式可以看出，管道在地面產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度(H)大小與流經(jīng)管道的信號電流強(qiáng)度(I0)成正比，與該點距離管道的距離(r)成反比，影響探測信號強(qiáng)度的主要因素就是信號電流大小和探測點到管道的距離。當(dāng)探測方法確定之后，管道中信號電流強(qiáng)度大小的主要取決管道和大地之間構(gòu)成的回路電阻了，若回路電阻越大則信號越弱，反之就越強(qiáng);而工作頻率的高低則主要影響管線信號的衰減速度和傳播距離。所以，探測效果與回路電阻、工作頻率、接地方式之間密切相關(guān)，選擇恰當(dāng)?shù)奶綔y方式和工作參數(shù)組合可增加信噪比，提高探測精度，減少錯誤。

根據(jù)上面的公式(4)可知，使用低頻探測，可有效降低圍巖和導(dǎo)電覆蓋層的影響，突出地下管線的異常，信號衰減得較慢，可將信號傳播更遠(yuǎn)，保證電磁波信號具有足夠強(qiáng)度，有利于追蹤長距離或深埋管線。在外界無強(qiáng)電磁場干擾的地區(qū)，宜使用低于8 Kz的工作頻率。具體頻率，可通過試驗確定。在廣州及珠三角地區(qū)，對于管線儀而言，直連法一般采用640 Hz會有較好的探測效果。

當(dāng)使用感應(yīng)法探測管道時，工作頻率可選擇8 Kz或33 Kz。過高的頻率會加速電磁場的衰減，不但縮短單次探測的有效長度，若高壓管道周圍有其他金屬管線存在時，還容易干擾探測結(jié)果。

電磁場信號強(qiáng)度與電流I成正比，在埋深、接地電阻一定的情況下，加大發(fā)射功率能增大電流。由于高壓管道的探測距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將施加的信號的功率保持在可滿足探測信號需要的最低水平。采取直連法時，調(diào)節(jié)輸出功率到能觀察到管線的清晰信號為準(zhǔn)，必要時增大供電電流(一般至少要100 mA以上)，以提高信噪比，保證探測效果。

當(dāng)使用感應(yīng)法探測管道時，輸出功率根據(jù)需要在50%～100%之間調(diào)節(jié)。

3．電磁法的其他技術(shù)措施

(1)接線端與接地端的處理

直連法的接地端應(yīng)采用遠(yuǎn)端接地方式，尤其是對于大埋深的管道。將長導(dǎo)線(＞50 m為宜)沿垂直管線走向的方向與接地電極(棒)連接，為改善接地電阻可使用多電極或長接地棒。其目的是增大信號沿管道傳輸?shù)木嚯x，并使地下高壓燃?xì)夤艿纼?nèi)形成的一次電流相對較大，形成較強(qiáng)的管線異常。

探測時，一般選擇檢測樁為加載信號的接線端，而檢測樁的管道端線頭通常是與犧牲陽極(或陰極保護(hù))端線頭連接的，如直接將發(fā)射機(jī)的輸出端夾在接線端上，會導(dǎo)致發(fā)射機(jī)的電流信號直接通過犧牲陽極端線頭短路到地。這樣會極大地減弱管道上的電流信號，同時容易將發(fā)射信號擴(kuò)散到其他非目標(biāo)管線上去，甚至造成非目標(biāo)管線的異常反而比目標(biāo)管線還要強(qiáng)的錯誤信息。

正確的做法是將接線盒端頭臨時分開，將發(fā)射機(jī)的輸出端夾在管道端線頭上。接線盒的處理需要特別注意的是工作前一定要征得權(quán)屬單位的同意及配合，探測完畢后一定要恢復(fù)接線盒的連線。

(2)其他管線干擾的識別

當(dāng)高壓管道周圍有其他金屬管線存在時，將對探測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。非目標(biāo)金屬管線的位置和埋深不同，其影響也不一樣，以下用幾個實際案例分析探討。

其一是一條中壓燃?xì)夤艿琅c超高壓燃?xì)夤艿榔叫新裨O(shè)的情況。這兩條管線的間距和埋深均為1 m，兩條管道的材質(zhì)均為鋼。當(dāng)發(fā)射機(jī)靠近非目標(biāo)管道(中壓管)放置時，其上面的感應(yīng)電流要比目標(biāo)管道(高壓管)上的大很多，那非目標(biāo)管道的二次感應(yīng)電磁場信號就會掩蓋目標(biāo)管道的電磁場，使儀器無法找到高壓管道的定位信號(異常)峰值點。這種情況下，發(fā)射機(jī)的放置就顯得重要了，第一是將發(fā)射機(jī)放在目標(biāo)管道一側(cè)上，第二是選擇與非目標(biāo)管線垂直的目標(biāo)管線走向上施加發(fā)射信號，或采用壓線法來抑制非目標(biāo)管線的信號。

第二個案例是其他金屬管線埋深比超高壓管道淺或者在其上方的情況。由于非目標(biāo)管線距離地面近，感應(yīng)法的電流大，產(chǎn)生的二次電磁場比管道強(qiáng)很多，就掩蓋了超高壓管道的二次電磁場信號，導(dǎo)致無法探測到目標(biāo)管道的異常峰值點。對于這種情況宜采用較低頻率的直連法探測方式加以區(qū)分。

在實踐中還發(fā)現(xiàn)，不論是感應(yīng)法還是直連法，當(dāng)工作頻率較高(65 KHz以上)時，發(fā)射機(jī)的電磁信號極易感應(yīng)到鄰近的其他金屬管線上，造成淺表的非目標(biāo)管線的電磁場信號大于目標(biāo)管道的信號，而造成錯誤的探測結(jié)果，故儀器不宜使用太高的工作頻率。

三、其他探測方法

除電磁法探測外，還有以下幾種方法可以使用，但是需要有一定的使用條件限制。

1．磁梯度法

井中磁梯度探測是一種精度較高的探測方式或驗證手段，它還可通過比較磁梯度和電磁法探測的結(jié)果，評價相關(guān)探測方法的有效和準(zhǔn)確性。

該方法是基于管道材料屬于強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)，在其周圍可產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場。野外作業(yè)時，在根據(jù)電磁法探測定位出的地下管線旁側(cè)鉆孔(深度要超過管道埋深，平面距離為1～2 m)，成孔后將塑料套管下入孔中，將儀器探頭放到鉆孔內(nèi)，從孔底部開始以0．2 m的點距往上測量各點的磁梯度值，并逐孔完成觀測。根據(jù)磁梯度值的變化情況即可準(zhǔn)確地確定地下管線的埋深和位置。該方法的局限性是在探測之前需要在管道的兩側(cè)布設(shè)可投放磁力儀探頭的鉆孔和塑料套管。

2．陀螺儀定位法

慣性陀螺定位儀三維定位技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項管線測量新技術(shù)。它結(jié)合了陀螺儀定向、慣性導(dǎo)航、計算機(jī)三維計算等技術(shù)，拖曳慣性陀螺定位儀穿行于待測管線，自動追蹤記錄其在管線內(nèi)的運動軌跡，生成管道中心軸線的三維坐標(biāo)與位置圖。該方法的特點是測量時受管線材質(zhì)、管線埋深、周圍環(huán)境和地質(zhì)影響較小，但需要將慣性陀螺定位儀的探頭往返穿行于待測管道中，即可實現(xiàn)高精確度的管線測量。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是陀螺儀確定系統(tǒng)瞬時方向，加速度計確定系統(tǒng)瞬時前進(jìn)方向加速度值，由此可求得定位系統(tǒng)的瞬時加速度向量α，再將α分解到慣性坐標(biāo)系X、Y、Z三軸上可得各自的加速度分量。分別積分并與X、Y、Z三方向上的初始速度Vx0、Vy0、Vz0相加即可得到定位系統(tǒng)的當(dāng)前速度分量Vx、Vy、Vz。再將Vx、Vy、Vz進(jìn)行積分計算，與初始坐標(biāo)相加即可得定位系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)位置。電子單元不斷記錄其運動軌跡數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至計算主機(jī)，根據(jù)起終點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算管道中心的實時三維坐標(biāo)。其測量精度可達(dá)到長度的0．1%。但該方法僅適合與管道鋪設(shè)施工同期進(jìn)行。

圖2 慣性陀螺定位儀結(jié)構(gòu)

四、工作流程

根據(jù)超高壓燃?xì)夤艿揽⒐y量的特點，在總結(jié)該類工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上，提出竣工驗收測量工作流程如圖3所示。

五、結(jié)束語

超高壓燃?xì)夤艿揽⒐y量具有其項目的特殊性，首先是管道鋪設(shè)施工周期長，目標(biāo)管線明顯點較少，部分區(qū)域與其他管線鄰近、交叉，空中電線、電纜易形成干擾電磁場等，使得管線信號不穩(wěn)定，異常不明顯，容易形成管線探測的疑難點，這些都是管線竣工測量需要面對的難題。對于開挖施工的管道，可在未覆土前跟蹤測量，直接測出管頂坐標(biāo)和高程。

該類管道的另一個特點是多處采用非開挖鋪設(shè)技術(shù)，用于穿越鐵路、高速公路、路口、河流、廠區(qū)、山區(qū)等。由于高壓燃?xì)夤艿酪话阍诔鞘械耐鈬佋O(shè)，而竣工測量的管線和地形呈帶狀分布，沿途一般缺少或沒有測量控制點，宜優(yōu)先采用GNSS測量技術(shù)，以提高工作效率和測量精度。

圖3 工作流程

［1］ 周鳳林，洪立波．城市地下管線探測技術(shù)手冊［M］．北京:中國建設(shè)工業(yè)出版社，1998．

［2］ 區(qū)福邦．城市地下管線普查技術(shù)研究與應(yīng)用［M］．南京:東南大學(xué)出版社，1998．

［3］ 曹震峰．感應(yīng)式電磁法在地下管網(wǎng)探測中的應(yīng)用［J］．中南冶金地質(zhì)，1992(2):69-73．

［4］ 張漢春，莫國軍．特深地下管線的電磁場特征分析及探測研究［J］．地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21(4):1314-1322．

［5］ 任秀艷，杜曉娟，孫瑞雪，等．地面磁梯度測量在勘查地下污水管道中的應(yīng)用［J］．世界地質(zhì)，2014，33(3):659-665．

［6］ 任廣振，羅進(jìn)圣，胡偉．慣性陀螺儀定位三維測量技術(shù)在非開挖電力管線探測中的應(yīng)用［J］．浙江電力，2014(7):32-36．