丁美青，張恩澤

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽淮南232001）

地下管線物探測(cè)量方法研究

丁美青，張恩澤

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽淮南232001）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改革開放的迅速發(fā)展，以及西氣東輸，南水北調(diào)等工程的開展，地下管線的種類和數(shù)量在不斷增加，由于許多工程項(xiàng)目必須在已知地下管線分布的情況下才能進(jìn)行施工，所以對(duì)地下管線的探測(cè)工作逐漸被提上議程；從物探方法的原理入手，分析了國(guó)內(nèi)外物探方法在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用，介紹了各種探測(cè)方法的原理和適用條件，指出在日后實(shí)際探測(cè)工作中，可根據(jù)地下管線與周圍巖土層的物性差異，選擇相應(yīng)的探測(cè)方法，并提出了物探方法在探測(cè)地下管線中存在的問(wèn)題和建議。

地下管線； 物探方法； 物性差異； 瞬變電磁法； 高密度電法； 探地雷達(dá)法; 淺層地震波法

1 引言

地下管線不僅是城市建設(shè)的一部分，也是城市賴以生存的“生命線”。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，地下管線的種類和數(shù)量也在不斷增加，這條“生命線”也逐漸被提上議程[1]。由于歷史原因，國(guó)內(nèi)許多城市地下管線分布模糊不清，管理系統(tǒng)不夠規(guī)范，存在嚴(yán)重的安全隱患，所以地下管線探測(cè)技術(shù)在城市地下管線管理中的地位尤為重要。地下管線探測(cè)技術(shù)就是對(duì)城市地下各種管線進(jìn)行探查和測(cè)繪的交叉技術(shù)，由20世紀(jì)末期傳入我國(guó)，發(fā)展迅速，很快形成一股熱潮。發(fā)展至今，地下管線探測(cè)的理論和技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。

2 物探方法簡(jiǎn)介

地下管線可大致分為三種，即金屬類管線、內(nèi)層含金屬、外層為絕緣層的電纜類管線以及由水泥，塑料等構(gòu)成的非金屬類管線。由于這些地下管線的密度、波阻抗值、導(dǎo)電性以及導(dǎo)磁性等與周圍巖土層存在明顯差異，這就為物探方法探測(cè)地下管線提供了理論基礎(chǔ)。因此，根據(jù)這些物性差異，可以選擇合適的物探方法對(duì)地下管線進(jìn)行探測(cè)，提高工作效率。

2.1 瞬變電磁法

對(duì)于地面無(wú)明顯突出露點(diǎn)的金屬管線以及含有金屬，外表為絕緣層的電纜類管線，通常采用探測(cè)效果更為明顯的瞬變電磁法。瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電極（磁源）向地下空間發(fā)射脈沖式一次電磁場(chǎng)（一次場(chǎng)H1）。在一次場(chǎng)H1探測(cè)范圍內(nèi)，若存在金屬類管線或管道，由于金屬表面存在自由電荷，在一次場(chǎng)H1的作用下將會(huì)形成電流，電流沿著金屬管線表面流動(dòng)。根據(jù)電生磁原理，帶電管線周圍的空間將會(huì)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)（二次場(chǎng)H2）。于是在地面上用線圈或接地電極觀測(cè)二次場(chǎng)H2的空間和時(shí)間分布，從而來(lái)推測(cè)地下管線的位置和深度[2]。

瞬變電磁法探測(cè)過(guò)程是在所測(cè)管線走向垂直方向布置測(cè)線，發(fā)射回線和接收回線重疊布置。隨后沿測(cè)線方向，按一定距離移動(dòng)（可根據(jù)實(shí)際管線復(fù)雜程度確定距離），采集一次數(shù)據(jù)。采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)“濾波→一維反演→時(shí)深轉(zhuǎn)換”處理流程[3]，得到測(cè)線成果圖。根據(jù)不同管線的物性差異，金屬類管線反映為低阻，非金屬類管線反映為高阻，從而推斷出地下管線的類型、埋深及位置。

該方法適用于金屬類管線或電纜類管線的探測(cè)，如自來(lái)水管或者含水管線、通信電纜等管線的探測(cè)工作。對(duì)其他類型的管線也有一定的效果，但是對(duì)地下管線深度，管徑等信息的探測(cè)存在明顯的缺陷。成果圖中的低電阻或高電阻也是一個(gè)相對(duì)概念，其范圍還需要根據(jù)已有的管線信息和人為經(jīng)驗(yàn)來(lái)劃定。因此，瞬變電磁法得到的成果也存在相應(yīng)的誤差。在實(shí)際探測(cè)工作中該方法通常和探地雷達(dá)法或高密度電法交叉使用，相互驗(yàn)證。

2.2 高密度電法

城市地下管線除上述金屬類管線及電纜類管線外，還包括非金屬類管線，如給排水管道，混凝土管道等。此時(shí)，瞬變電磁法及相關(guān)電磁感應(yīng)方法將很難發(fā)揮作用。所以對(duì)于這些非金屬類管線或管道的探測(cè)工作通常由探地雷達(dá)或高密度電法來(lái)完成。高密度電法是以目標(biāo)管線與周圍巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下地下空間傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種電探方法[4]。采用高密度電法來(lái)探測(cè)地下管線的埋深和位置，通常是把直流電流通過(guò)電極向地下空間供電，此時(shí)地下空間將形成一個(gè)穩(wěn)定的電流場(chǎng)，由于上述管線多為混凝土質(zhì)，其電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍巖體或土體。通過(guò)研究土層（巖層）及管線所引起的電場(chǎng)變化，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到地電斷面圖。除此之外，可根據(jù)電阻率的分布情況，可在高阻區(qū)中推斷低阻異常。相反，在低阻區(qū)中推斷出高阻異常，對(duì)有相同特征規(guī)律的若干地電斷面中的高阻區(qū)（或低阻區(qū)）連線即為管線的位置和深度[5-7]。

由于金屬管線及集束型通信光，電纜自身導(dǎo)電性特征與周圍巖土層接近，所以使用高密度電法得到的地電斷面很難分辨高低阻異常，探測(cè)效果不理想。而對(duì)于一些非金屬類管線（或表面含高絕緣材質(zhì)的金屬管線），一般采用高密度電法。使用高密度電法探測(cè)地下管線時(shí)，電極布設(shè)一次完成而且可以自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，工作效率較高。采集得到的數(shù)據(jù)量較大，可以反映清晰的地電斷面。但是對(duì)于介質(zhì)差異不明顯的地下空間，高密度電法的探測(cè)效果也不能滿足要求。

2.3 探地雷達(dá)法

在城市地下空間中，對(duì)于埋深較淺（埋深小于-2 m）的金屬管線或非金屬類管線，最常用的探測(cè)方法為探地雷達(dá)法。探地雷達(dá)法（又稱地質(zhì)雷達(dá)法）工作時(shí)，在地面上布置測(cè)線。通過(guò)發(fā)射天線向地下空間發(fā)射高頻率電磁波，當(dāng)高頻率電磁波在巖土層中遇到探測(cè)目標(biāo)時(shí)，電磁波反射回地面，并被地面上的接收天線所接收。根據(jù)接收天線接收到的反射回波的時(shí)間和形式來(lái)確定管線的位置和埋深[8]。

探地雷達(dá)法在探測(cè)過(guò)程中，測(cè)線的布置尤為重要。通常測(cè)線與管道走向垂直布置，測(cè)點(diǎn)間距可根據(jù)地下空間復(fù)雜程度來(lái)確定。探測(cè)工作所得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)“一維濾波→靜校正→增益→二維濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換→圖像顯示”等處理流程，得到管線成果圖。高頻電磁波在地下介質(zhì)中行程為：

（1）

（1）式中：t為電磁波在地下介質(zhì)中行程時(shí)間（ns，ns=10-9）；z為目標(biāo)管線埋深（m）;x為收、發(fā)測(cè)點(diǎn)間距（m）;v為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度（m/ns）。其中，電磁波波速v可由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr確定：

（2）

（2）式中c為電磁波在真空中的傳播速度（0.3m/ns）。探地雷達(dá)法不僅適用于非金屬管線的探測(cè)，同樣也適用于金屬管線的探測(cè)，應(yīng)用范圍十分廣泛。尤其對(duì)于非金屬管線的探測(cè)，探測(cè)剖面中有明顯的管線異常反映，探測(cè)效果良好。但是對(duì)于有些埋深較大的管線，該方法的探測(cè)效果往往達(dá)不到要求[9]。所以在實(shí)際探測(cè)工作中，應(yīng)綜合考慮目標(biāo)管線埋深以及目標(biāo)管線與周圍巖土層的差異性，來(lái)確定探地雷達(dá)法是否作為主要方法還是輔助方法，以便更好的完成探測(cè)工作。

2.4 淺層地震波法

對(duì)于鋪設(shè)在水泥或者瀝青路面以下且埋深相對(duì)較大的地下管線，探地雷達(dá)法探測(cè)效果較差。此時(shí)，可用淺層地震波法來(lái)探測(cè)地下管線的位置和深度。淺層地震波法是利用地下巖土層的波阻抗值的差異，在地表以人工方法激發(fā)地震波，隨后地震波以應(yīng)力波的形式向地下空間傳播，當(dāng)遇到不同介質(zhì)的波阻抗界面時(shí)（如地下金屬、非金屬管線與周圍巖土層的分界面），會(huì)產(chǎn)生反射，折射和透射[10]。這些地震波信號(hào)被布置在地面上的檢波器獲取，通過(guò)研究分析地震波攜帶的信息及傳播規(guī)律，對(duì)地震波記錄進(jìn)行處理和解釋，可以推斷地下管線的位置及埋深。

淺層地震波法探測(cè)過(guò)程是在所測(cè)管線走向垂直方向布置測(cè)線，檢波器走向應(yīng)與所測(cè)管線走向基本垂直。地震儀采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)“預(yù)處理→去噪→反濾波→速度分析→動(dòng)校正→偏移疊加→時(shí)深轉(zhuǎn)換”處理流程，得到管線成果圖。

在淺層地震波法中，可根據(jù)利用地震波的不同分為反射波法、折射波法和瑞雷面波法。實(shí)際探測(cè)工作中，最常用的是反射波法和瑞雷面波法。反射波法是利用反射波作淺層地震時(shí)間剖面，可用于探測(cè)埋深和口徑較大的金屬或非金屬管線。瑞雷面波法則是利用地下管線與周圍巖土層的面波差異來(lái)定位地下管線。淺層地震波法適用于激振條件良好的硬質(zhì)地面，可用于探測(cè)埋深較大的金屬及非金屬管線。相比其它方法，該方法抗干擾能力強(qiáng)，但缺點(diǎn)是探測(cè)成本較高，工作效率低。

3 探測(cè)工作的注意事項(xiàng)

物探方法介入地下管線的探測(cè)工作，因其探測(cè)成果的多解性、間接性、誤差性，往往需要綜合考慮各方面因素。在探測(cè)工作開始前，應(yīng)對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，了解探測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以及目標(biāo)管線與周圍巖土層的物性差異，選用合適的物探方法進(jìn)行探測(cè)。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，確定該物探方法的探測(cè)效果和精度以及在探測(cè)區(qū)域附近無(wú)管線區(qū)測(cè)取背景數(shù)據(jù)。在探測(cè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循“先已知后未知、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜、探測(cè)方法有效、快速、輕便和復(fù)雜條件下宜采用綜合方法進(jìn)行探測(cè)”的原則，并合理和正確的布置測(cè)線，做到不誤測(cè)，不漏測(cè)。在探測(cè)工作結(jié)束后，對(duì)于噪聲較大的數(shù)據(jù)往往引入數(shù)學(xué)方法進(jìn)行消噪處理，如應(yīng)用小波變換法和模擬退火法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[11]。

4 工程實(shí)際應(yīng)用

測(cè)區(qū)位于某廠區(qū)兩廠房之間，基底坳陷，第四系覆蓋層厚度約20m，地勢(shì)平坦，整體趨勢(shì)是自西向東方向緩傾。表層為人工填筑混凝土，底部依次為褐色素填土，青灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及灰黃色可塑-硬塑狀粘土，地下水埋深較深。測(cè)區(qū)內(nèi)南北方向上鋪設(shè)有三處混凝土質(zhì)給排水管道，現(xiàn)應(yīng)用高密度電法和瞬變電磁法對(duì)地下管道進(jìn)行定位探查。兩種探測(cè)方法測(cè)線均垂直管道方向布設(shè)，測(cè)線分別長(zhǎng)45m和40m，均對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行反演視電阻率斷面，所得測(cè)線成果圖如圖1，2所示。

圖1為高密度電法反演所得到的測(cè)線成果圖，通過(guò)分析，測(cè)線方向5m、10m、20m及30m，埋深-3m～ -5m處圈定高阻異常區(qū)。根據(jù)市政管線資料，測(cè)區(qū)地下-3m～ -4m處鋪設(shè)直徑約0.5m的混凝土給排水管道，圈定的高阻異常區(qū)與管道布設(shè)位置基本一致。圖2為瞬變電磁法反演所得測(cè)線成果圖，測(cè)線方向9m、20m、30m，埋深-3m～ -5m處圈定低阻異常區(qū)。由于混凝土管道中含有鋼筋框架，故管道呈現(xiàn)低阻異常，與市政管線資料基本吻合。兩種探測(cè)方法交叉驗(yàn)證，滿足探查要求。

圖1 高密度電法測(cè)線成果圖

圖2 瞬變電磁法測(cè)線成果圖

4 結(jié)論

根據(jù)地下管線與周圍巖土層的物性差異以及管線材質(zhì)，可以選擇合適的地球物理勘探方法進(jìn)行探測(cè)，以提高工作效率，節(jié)約工程成本?，F(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能消除噪聲的干擾，提高數(shù)據(jù)的信噪比。室內(nèi)處理數(shù)據(jù)時(shí)可引入數(shù)學(xué)方法進(jìn)行消噪。例如在利用淺層地震波法探測(cè)地下管線時(shí)，可以引入小波變換進(jìn)行消噪處理，提高探測(cè)的精度。

對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜，物性差異不明顯的地區(qū)，可交叉使用多種地球物理勘探方法進(jìn)行地下管線探測(cè)，相互驗(yàn)證，確保探測(cè)的準(zhǔn)確性。

進(jìn)行城市地下管線探測(cè)工作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》及《城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范》等規(guī)范開展工作，真正做到合理、合規(guī)、合法。

[1] 鄒延延.地下管線探測(cè)技術(shù)綜述[J].勘探地球物理進(jìn)展,2006,29（1）:14-20.

[2] 侯偉清,葉英.瞬變電磁雷達(dá)在城市地下管線探測(cè)中的應(yīng)用[C].中國(guó)地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì), 2014.

[3] 盧海,劉建威.綜合物探技術(shù)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2015,38（1）:44-46.

[4] 劉國(guó)興.電法勘探與方法[M].北京：地質(zhì)出版社,2005.

[5] 劉曉東,張虎生,朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應(yīng)用[J].工程勘察,2001（4）:64-66.

[6] 何偉,于鵬,張羅磊,等.高密度電法在探測(cè)地下金屬與非金屬組合管線中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2008, 5（1）:95-98.

[7] 李樹瓊,蔣叢林,馬志斌.高密度電法在巖溶地區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].礦物學(xué)報(bào),2013,33（4）:540-544.

[8] 王新靜,趙艷玲,胡振琪,等.不同水分條件下探地雷達(dá)電磁波波速估算方法與對(duì)比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38（z1）:174-179.

[9] 王勇.城市地下管線探測(cè)技術(shù)方法研究與應(yīng)用[D].吉林大學(xué),2012.

[10]肖順,張永命,劉天華.地震映像法在探測(cè)超深超大管道中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2013（S2）:246-247.

[11]郭剛明,時(shí)立彩,高生軍,等.小波變換在地震資料處理中的應(yīng)用效果分析[J].石油物探,2003,42（2）:237-239.

2016-12-08

丁美青（1993-），安徽霍邱人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ膛c環(huán)境地球物理勘探，電話：18855480525。

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