張 征 趙俊蘭 張政委

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，中國 北京100144）

0 引言

校園地下管線，是學(xué)?；A(chǔ)建設(shè)設(shè)施的重要組成部分，是規(guī)劃、建設(shè)、管理的重要基礎(chǔ)信息，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。校園地下管網(wǎng)是信息、能源、物質(zhì)的載體，隨著校園建設(shè)發(fā)展，各類地下管線不斷增加，但因管理不善，未能及時(shí)進(jìn)行竣工測(cè)量，使得地下管線資料殘缺現(xiàn)狀日益增長，嚴(yán)重地制約和影響學(xué)校規(guī)劃，建設(shè)、管理的科學(xué)化，現(xiàn)代化進(jìn)程。因此查明地下管線的平面位置、走向、埋深（或高程）、規(guī)格、性質(zhì)、材質(zhì)等，并編制地下管線圖，建立地下管線信息管理系統(tǒng)，對(duì)地下管線動(dòng)態(tài)更新，確保校園管網(wǎng)信息的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)校園數(shù)字化信息化建設(shè)，為校園規(guī)劃建設(shè)、地下管線維修提供依據(jù)。

1 地下管線探測(cè)技術(shù)方案

地下管線探測(cè)包括探查和地下管線測(cè)繪兩個(gè)基本內(nèi)容。地下管線探查是通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和不同的探測(cè)方法探尋各種管線的埋設(shè)位置和深度，并在地面上設(shè)立測(cè)量點(diǎn)，即管線點(diǎn)；地下管線測(cè)繪是對(duì)已查明的地下管線位置即管線點(diǎn)的平面位置和高程進(jìn)行測(cè)量，并編繪地下管線圖，包括對(duì)新建管線的施工測(cè)量和竣工測(cè)量。城市地下管線探測(cè)應(yīng)根據(jù)地下規(guī)劃管理部門或公用設(shè)施建設(shè)部門的要求、依據(jù)《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，其范圍包括道路、廣場(chǎng)等主干管線通過的區(qū)域。

1.1 地下管線探測(cè)的工作模式

地下管線的類型及其特點(diǎn)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，可分為9大類，即給水、排水、燃?xì)狻崃?、工業(yè)、電力、電信、綜合管溝和人防管線；各類管線上設(shè)有不同的建筑物、構(gòu)筑物、以及附屬設(shè)施。在管線探測(cè)和普查時(shí)，不僅要精確地下管線的位置、走向、埋深，同時(shí)還要實(shí)地調(diào)查管線的斷面、電纜根數(shù)、傳輸物體特征、敷設(shè)時(shí)間和單位以及管理部門等。上述與管線有關(guān)的空間信息和屬性信息統(tǒng)稱為地下管線信息，地下管線空間信息用統(tǒng)一坐標(biāo)系（高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系即高斯坐標(biāo)統(tǒng)）中的坐標(biāo)X、Y、Z來表示，屬性信息用字符或數(shù)字進(jìn)行描述。地下管線探測(cè)采用實(shí)地調(diào)查、儀器探查、測(cè)量與機(jī)助制圖內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，同步建庫工作模式。具體方案是：充分利用專業(yè)管線權(quán)屬單位已有資料，在根據(jù)現(xiàn)況調(diào)繪基礎(chǔ)上，以開井調(diào)查與儀器探測(cè)結(jié)合、解析法測(cè)繪、機(jī)助成圖一體化作業(yè)獲取管線數(shù)據(jù)，同步建立地下管線信息系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)規(guī)劃與管線運(yùn)行維護(hù)的現(xiàn)代化管理。

1.1.1 工作原理

根據(jù)物理學(xué)中電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)通過一閉合回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，而導(dǎo)體的電流又在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)。地下管線探測(cè)儀就是利用這一工作原理。即:由發(fā)射機(jī)發(fā)出交變的電磁場(chǎng)，通過感應(yīng)或連接的方法，使之作用到埋在地下的金屬管線上，管線可視為無限長，這樣在管線上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。用接收機(jī)接收感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以此來確定管線的平面位置及埋深。目前國內(nèi)外流行的管道探測(cè)儀，無一不是利用頻率域電磁法的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。無論是雙天線測(cè)“梯度”值 ，還是單天線測(cè)磁場(chǎng)各個(gè)分量，其基本的解析式為：

（1）式中，μ為周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率；I為電流強(qiáng)度；h為觀測(cè)剖面線至管線的距離，當(dāng)觀測(cè)線布在地面上時(shí)，該距離即為管線的埋深 ；X為觀測(cè)點(diǎn)至管線在地面的投影的距離。

1.1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

地下管線探測(cè)精度及探測(cè)基本地形圖比例尺的選擇，按照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》GJJ61-94及《城市測(cè)量規(guī)范》GJJ8-85的要求執(zhí)行。校園管線探測(cè)基本地形圖比例尺選擇1:500，探查定位精度要求按表1-表4執(zhí)行。測(cè)量管線點(diǎn)的解析坐標(biāo)中誤差不大于±5cm，高層中誤差不大于±2cm。城市管線探測(cè)按照行業(yè)規(guī)范要求，采用與城市統(tǒng)一的坐標(biāo)和高程系統(tǒng)為北京城市63坐標(biāo)系和85國家高程基準(zhǔn)。

表1 管線探查測(cè)量定位精度要求

表2 隱蔽管線點(diǎn)的探查精度

1.1.3 技術(shù)路線

數(shù)字地下管線探測(cè)動(dòng)態(tài)更新內(nèi)外業(yè)一體化的核心,是各工序的無縫銜接,最大限度地減少手工介入的程度,最大限度地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。管線探測(cè)是一個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)外業(yè)交叉循環(huán)的過程,在一體化工藝技術(shù)中,也要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互性與可逆性。外業(yè)探測(cè)與調(diào)查的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)記錄到PDA,不再在使用人工草圖,內(nèi)業(yè)將PDA數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),進(jìn)行調(diào)查表輸出、坐標(biāo)校正、數(shù)據(jù)編輯、成果輸出等工作。一體化的關(guān)鍵技術(shù)要實(shí)現(xiàn)管線探測(cè)的一體化,重點(diǎn)是解決野外數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)問題,以及內(nèi)外業(yè)的銜接問題;而野外數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ),重點(diǎn)則是安全、穩(wěn)定和易用。

表3 市政公用管線探測(cè)取舍標(biāo)準(zhǔn)

2 地下管線信息數(shù)據(jù)采集

城市地下管線信息系統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集包括探查和測(cè)繪兩部分，地下管線全野外數(shù)據(jù)采集與處理是地下管線探測(cè)的關(guān)鍵工序之一，貫穿于整個(gè)城市地下管線探測(cè)作用施工過程，同時(shí)也是建立城市地下管線信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.1 地下管線探查

在管線探查中，對(duì)于明顯管線點(diǎn)可采取直接開井調(diào)查，對(duì)于隱蔽管線點(diǎn)，由于管線類型不同，埋設(shè)年代不同，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，一般采用資料結(jié)合探查并開挖驗(yàn)證的方法。在野外探測(cè)時(shí)必須選擇施加最佳信號(hào)，且對(duì)除目標(biāo)管線外的其它管線藕合最少的技術(shù)，探查前應(yīng)在已知管線位置和埋深的地段做試驗(yàn)，對(duì)埋深探查求出改正值，再對(duì)未知管線進(jìn)行探查。對(duì)明顯管線點(diǎn)如接線箱 、儀表井等附屬設(shè)施，采用直接法，直接調(diào)查、記錄和測(cè)量，埋深小于4.6m的管線，無干擾時(shí)，用按鍵直讀法測(cè)量深度；對(duì)干擾較強(qiáng)場(chǎng)地可用70%法進(jìn)行深度測(cè)量，對(duì)埋深一定要進(jìn)行改正。對(duì)于多管線地區(qū)，可采用分別施加信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)把發(fā)射源線圈平行放在一條管線上，以探查相鄰管線的位置和埋深，綜合以上資料，踏勘、探查的結(jié)果，來最后確定管線的水平位置和埋深。對(duì)信號(hào)弱、干擾大、管線密集的地區(qū)，按1%～5%的比例開挖，驗(yàn)證探查的水平精度和埋深精度。

2.1.1 地下管線探查的基本步驟

資料分析和實(shí)地調(diào)查是地下管線探測(cè)的基本步驟 。在對(duì)管線權(quán)屬單位提供的各類資料(如設(shè)計(jì)圖紙、竣工圖紙等)深入分析的基礎(chǔ)上，實(shí)地調(diào)查各類明顯管線點(diǎn)(包括接線箱、閥門、消 防栓、人孔井、手孔井、檢修井等附屬設(shè)施)進(jìn)行直接開井并量取埋深、偏距、性質(zhì)、種類等各種數(shù)據(jù)，填寫地下管線點(diǎn)調(diào)查表，同時(shí)明確必須用儀器探查的管線段。

2.1.2 地下管線探測(cè)的關(guān)鍵步驟

在對(duì)管線權(quán)屬單位提供的各類資料（如設(shè)計(jì)圖紙、竣工圖紙等）深入分析的基礎(chǔ)上，實(shí)地調(diào)查各類明顯管線點(diǎn)進(jìn)行直接開井并量取埋深、偏距、性質(zhì)、種類等各種數(shù)據(jù)，填寫地下管線點(diǎn)調(diào)查表，同時(shí)明確必須用儀器探查的管線段，采用盲探方法探測(cè)隱蔽管線點(diǎn)。

2.1.3 地下管線探查儀器

儀器探查應(yīng)根據(jù)探查條件、材質(zhì)及管徑等采取不同探查方法，校園地下管線探測(cè)采用英國Radio公司的RD4000PDL2型地下管線探測(cè)儀。工作頻率為8KHz、33KHz、65KHz，有無源和有源兩種工作方式，無源工作方式用來搜索一個(gè)區(qū)域內(nèi)未知的電力電纜和其他管線，有源方式通過直接法和感應(yīng)法用于地下管線路由的精確定位、深度測(cè)量和長距管線追蹤。RD4000PDL2管線儀提供了峰值和谷值兩種探測(cè)模式。谷值法定位直觀快捷，單精度較差，主要用于快速追蹤管線和驗(yàn)證峰值定位的精確性。峰值法的精度和抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于谷值法。

RD4000PDL2型地下管線探測(cè)儀管線定位 ：采用極大值法 （峰值）或極小值法（谷值）。極大值法：即用管線儀兩垂直線圈測(cè)定水平分量之差⊿Hx的極大值位置定位；若管線儀不能觀測(cè)⊿Hx，可采用水平分量Hx極大值法定位。極小值法：用水平線圈測(cè)定垂直分量Hz的極小值定位。兩種方法宜綜合應(yīng)用，對(duì)比分析，確定管線平面位置。

2.2 地下管線探查數(shù)據(jù)采集分析

地下管線探測(cè)中我們采用確定目標(biāo)管線峰值響應(yīng)的精確位置作定點(diǎn)定位（如圖1所示），然后用直讀法和70%法作管線探測(cè)測(cè)量（如圖2所示），在作業(yè)前，我們對(duì)已知管線段進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，確定探測(cè)儀的水平定位和豎直定位精度，測(cè)定結(jié)果：儀器的水平定位一致性好，精度符合要求，儀器直接探測(cè)略有誤差，用70%法探測(cè)可達(dá)到精度要求。如果在無干擾的情況下，測(cè)量點(diǎn)兩邊5步范圍內(nèi)管線是直的，信號(hào)在10步范圍內(nèi)穩(wěn)定，用直讀法深度測(cè)量有很高的測(cè)量精度，且簡(jiǎn)單快捷。但在管線密集的地段，干擾信號(hào)較強(qiáng)，用直讀法測(cè)量誤差較大，需用70%法來測(cè)深。用幾個(gè)不同的點(diǎn)讀數(shù)做測(cè)量深度的檢測(cè)。70%特征比值法：即HX極大值兩側(cè)的0.7比值點(diǎn)的距離即為管線的深度。70%法深度測(cè)量精度高，抗干擾性能力強(qiáng)，在特別復(fù)雜地段，采用多種方法，反復(fù)驗(yàn)證，以達(dá)到精確定位后的管線點(diǎn)，在實(shí)地上用紅漆畫“+”標(biāo)記并在點(diǎn)附近標(biāo)注編號(hào)，以提供地下管線測(cè)繪的依據(jù)。與此同時(shí)立即做好探測(cè)或調(diào)查內(nèi)容記錄。記錄內(nèi)容包括：點(diǎn)號(hào)、管性、點(diǎn)性、埋深、材質(zhì)、管徑、埋設(shè)日期等，管線探查后形成管線調(diào)查數(shù)據(jù)文件。

基于RD400PXL系列探測(cè)儀的幾種在有源方式下的信號(hào)施加方法：①直連法 發(fā)射機(jī)一端接在金屬管線上，另一端接地，將交變電流直接注入地下金屬管線，觀測(cè)管線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)?？蓪?duì)各種金屬管線進(jìn)行掃描定位、測(cè)深、連續(xù)追蹤并區(qū)分相鄰管線。由于管線電流產(chǎn)生的信號(hào)很強(qiáng)，故信噪比和分辨率均較高；但必須有金屬管線出露點(diǎn)。在各種方法中，探測(cè)效果最好；②夾鉗法 ：在無法將發(fā)射機(jī)信號(hào)輸出端直接連在被測(cè)管線的情況下，可采用夾鉗法。它將地下管線探測(cè)儀的專用夾鉗套套在被測(cè)管線上，適用于管徑較細(xì)的管線。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單便捷；③感應(yīng)法：將發(fā)射機(jī)直接放在被測(cè)管線上方，依靠發(fā)射機(jī)的自身感應(yīng)傳導(dǎo)信號(hào)，使地下管線在諧變場(chǎng)的作用下，感應(yīng)出諧變電流，地下管線中的二次諧變電流又會(huì)產(chǎn)生諧變電磁場(chǎng)，稱二次場(chǎng)。在地面上通過接受線圈便可觀測(cè)到二次磁場(chǎng)，這樣便可知道地下管線的存在及具體位置。其缺點(diǎn)是信號(hào)較分散、易被干擾。RD400PXL系列探測(cè)儀管線定深采用70%特征點(diǎn)法及直讀法。

使用RD400XL2/PDL2地下管線探測(cè)儀對(duì)校園的電力線進(jìn)行無源方式的物探，在接收機(jī)的電力模式下應(yīng)用上述各方法進(jìn)行深度測(cè)量，讀出的數(shù)據(jù)用于最后的數(shù)據(jù)分析與比較。 為了研究并探討地下管線探測(cè)的最佳物探方法。分別在峰值與谷值狀態(tài)下選擇直讀及70%法進(jìn)行具體測(cè)深試驗(yàn)。記錄各組數(shù)據(jù)，圖3已知給水管線各種探測(cè)方法測(cè)深數(shù)據(jù)分析比較，70%法、谷值法、直讀法測(cè)深數(shù)據(jù)分析如圖4-圖6所示，通過數(shù)據(jù)分析對(duì)比得出最佳的探深方法和測(cè)量方案。

深度測(cè)量：不能用接收機(jī)的電力和無線電模式作深度測(cè)量；應(yīng)在管線的中段進(jìn)行深度測(cè)量，探測(cè)的深度必須在測(cè)深范圍內(nèi)，這一點(diǎn)對(duì)大管徑來講是很關(guān)鍵的 ；不要在管線拐彎處和T形支管附近進(jìn)行深度測(cè)量，至少要離開拐彎處5步以上才能得到最佳的精度；在有強(qiáng)烈干擾或部分發(fā)射機(jī)信號(hào)已耦合到鄰近管線上時(shí)，深度測(cè)量是不準(zhǔn)確的；深度測(cè)量時(shí)應(yīng)避免用感應(yīng)法施加信號(hào)，如果別無選擇，則發(fā)射機(jī)必須離開深度測(cè)量點(diǎn)至少30步遠(yuǎn)；若發(fā)射機(jī)信號(hào)正在向鄰近管線傳輸，則應(yīng)該用雙端連接法將信號(hào)施加到目標(biāo)管線上。

無論是有源模式還是無緣模式，70%法在定深方面單點(diǎn)合格率與穩(wěn)定性都是最好的。特別是在峰值模式下，合格率與穩(wěn)定性都保持在90%左右，可以滿足地下管線探測(cè)精度需要。經(jīng)過修正以后，用70%法測(cè)得的數(shù)據(jù)中誤差明顯減小，經(jīng)過平均值計(jì)算中誤差合格率甚至達(dá)到了100%（＜5cm），經(jīng)真值計(jì)算出的中誤差合格率也提高到60%，兩個(gè)未滿足要求的中誤差也有大幅度的降低。所以，在實(shí)際測(cè)量工程中，忽略個(gè)別誤差較大值后，得到的埋深基本上可以滿足要求。與70%法比較起來，直讀法的穩(wěn)定性稍差，在單管單線情況下，可以滿足工程要求。谷值模式下，除在測(cè)量范圍內(nèi)幾乎只有一條管線的情況下，穩(wěn)定性極差，不能滿足工程要求。

經(jīng)過修正以后，應(yīng)用直讀法和在谷值模式下得出的結(jié)果，其中誤差合格率仍然沒有得到提高。應(yīng)用直讀法得出的結(jié)果合格率保持在60%左右。在谷值模式下得出的結(jié)果合格率則只有20%。說明在進(jìn)行深度測(cè)量時(shí)，70%的穩(wěn)定性最好，其次為峰值模式下的直讀法，而谷值模式基本上不能應(yīng)用于深度測(cè)定。

2.3 地下管線測(cè)繪

地下管線測(cè)量，指的是為各種地下管線及其附屬設(shè)施新建、擴(kuò)建、改建的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工、竣工、驗(yàn)收、養(yǎng)護(hù)及營運(yùn)管理等所進(jìn)行的測(cè)量工作，其工作應(yīng)包括以下內(nèi)容：測(cè)區(qū)已有控制成果和地形圖的收集、檢測(cè)和修測(cè)；地下管線點(diǎn)的連測(cè)；測(cè)量成果的整理。本次地下管線測(cè)量是以外業(yè)探查現(xiàn)場(chǎng)繪制的草圖為依據(jù)而進(jìn)行的管線測(cè)量。地下管線測(cè)量的內(nèi)容包括（1）建立地下管線測(cè)量控制網(wǎng)，為管線點(diǎn)聯(lián)測(cè)和管線圖測(cè)量提供基礎(chǔ)；（2）進(jìn)行管線點(diǎn)聯(lián)測(cè)，確定管線點(diǎn)的坐標(biāo)與高程；（3）地下管線圖的測(cè)繪（即內(nèi)業(yè)成圖）。

2.3.1 控制測(cè)量

我們進(jìn)行地下管線點(diǎn)測(cè)量時(shí)，與地面部分相結(jié)合進(jìn)行。平面控制測(cè)量采用靜態(tài) GPS測(cè)量方式，在已有 C級(jí) GPS點(diǎn)的基礎(chǔ)上，布設(shè) D級(jí)、E級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行RTK點(diǎn)加密作為圖根控制。高程控制測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量方式進(jìn)行。D級(jí)、E級(jí)GPS網(wǎng)中各點(diǎn)均進(jìn)行四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)的埋石圖根點(diǎn)聯(lián)測(cè)等外水準(zhǔn)，不埋石圖根點(diǎn)使用GPS擬合高 程 。

2.3.2 管線點(diǎn)測(cè)量

地下管線點(diǎn)測(cè)量在已有各等級(jí)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，測(cè)量時(shí)使用索佳SET-500型全站儀，采用極坐標(biāo)法施測(cè)其平面位置，高程采用三等水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)。由于管線點(diǎn)的測(cè)量比一般的地物碎部點(diǎn)測(cè)量精度要求高，測(cè)量時(shí)使用對(duì)中桿配合施測(cè)。野外采集的各管線特征點(diǎn)平面位置相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)不大于±5cm，高程測(cè)量中誤差相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)不大于±2cm。

3 結(jié)束語

實(shí)踐證明，利用管線探測(cè)儀探測(cè)地下管線時(shí)，直接法比感應(yīng)法探測(cè)效果好，分辨能力強(qiáng)，追蹤距離遠(yuǎn)，精度高。在管線密集地區(qū)盡量不采用感應(yīng)法，用直接法和夾鉗法給目標(biāo)管線施加發(fā)射機(jī)信號(hào)，選擇較低的發(fā)射機(jī)頻率降低信號(hào)的耦合能力，用峰值響應(yīng)模式定位，70%法測(cè)深度，減少偏差，提高精度。如只能用感應(yīng)法探測(cè)時(shí)，必須搞清被測(cè)管線附近有無其它管線，若有其他管線干擾，應(yīng)采取措施避免信號(hào)轉(zhuǎn)移到其它管線上，利用感應(yīng)法測(cè)定的埋深值誤差較大 ，應(yīng)引起重視。采用管線探測(cè)儀與開井調(diào)查相結(jié)合，全球定位系統(tǒng)(GPS)、全站型電子速測(cè)儀進(jìn)行解析法測(cè)繪和計(jì)算機(jī)輔助成圖一體化作業(yè)，同步建庫，可確保地下管線信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性和實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，以利于城市地下空間的綜合開發(fā)和合理利用，真正滿足地下管網(wǎng)現(xiàn)代化管理 的需要。

［1］雷林源.地下管線探測(cè)與測(cè)漏[M].冶金工業(yè)出版社,2003,1.

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