湯慧強

摘 要：地下管線空間屬性的收集和建立已成為制約城市地下空間開發(fā)利用的重要因素，本文以電磁感應法在地下管線探測中的應用為研究對象，探討了電磁感應法的原理及探測方法，進而分析了平面位置和埋深的確定方法，在此基礎(chǔ)上，論文結(jié)合湖南某市典型應用案例，探討了采用直接法、夾鉗法和感應法進行管線探測的結(jié)果，結(jié)果表明，采用 70%法、50%法結(jié)合直讀法進行定深，探測效果良好。經(jīng)第三方監(jiān)理開挖驗證，成果符合規(guī)范要求，質(zhì)量優(yōu)。論文提出的相關(guān)方法和思路，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：電磁感應法 地下管線 位置 埋深

中圖分類號：TM15 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0053-02

隨著城市建設(shè)的深入發(fā)展對地下空間開發(fā)利用的需求不斷增長。地下設(shè)施的數(shù)量、體量不斷上升，尤其是“十二五”以來中心地區(qū)發(fā)展城市交通設(shè)施、城市防災設(shè)施、城市綠地、架空線入地等項目在全國大中型城市全面鋪開，地下空間建設(shè)令人矚目。與此同時，在中心城區(qū)已經(jīng)形成與地面空間緊密相連，以交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為主線的地下空間開發(fā)利用基本格局。大量信息、電力、燃氣、排水等市政公用管線或進行地下鋪設(shè)，或改遷入地，地下管網(wǎng)種類越來越多、管網(wǎng)鋪設(shè)越來越復雜，人們在享受地下管網(wǎng)帶來的舒適便捷的同時，也不斷地碰到因管線資料不準確而造成的建設(shè)事故、維修改造困難等問題。

因此，地下管線空間屬性的收集和建立便成為制約城市地下空間開發(fā)利用的重要因素，利用現(xiàn)有的物探手段在不破壞現(xiàn)狀環(huán)境的前提下，確定管線及其附屬設(shè)施的空間形態(tài)、位置已成為現(xiàn)今物探行業(yè)的熱點課題。

1 電磁感應法原理及方法

1.1 探測原理

電磁感應法在地下管線探測中的應用原理，主要是利用地下管線與周圍介質(zhì)導電性及導磁性的差異，通過觀測和研究電磁場空間與時間分布規(guī)律，從而達到尋找地下管線的目的。

即，已知地下管線一般敷設(shè)在地表以下、15m以內(nèi)的淺表土層中，且由于表土層一般無磁性，其電阻率在幾歐姆米至幾十個歐姆米。同時，金屬或電力管線具有中等以上強度的磁性，其電阻率一般為m，具有較好的導電性和導磁性。由此可見，地下管線與其周圍介質(zhì)存在著明顯的電性、磁性差異。因此，根據(jù)電磁感應原理，理論上能夠探明地下金屬管線的分布狀況。

1.2 探測方法

根據(jù)探測原理，電磁感應法可分為被動源法和主動源法兩種，其中主動源法是常規(guī)探測中的主要方法。

（1）被動源法。

被動源法主要是利用天然電磁場的變化來確定目標體的位置和深度。該方法具有一定的局限性，要求天然電磁場存在較大的差異性，主要應用于淺部電力等管線的探測，在深部電力或金屬管線探測中應用極少。

（2）主動源法。

主動源法，顧名思義就是通過一些必要的手段對目標管線及周邊環(huán)境施加一定頻率和適當強度的交變電磁場，該電磁場稱之為“一次場”。根據(jù)電磁感應定律，由于“一次場”磁通量的大小、方向不斷變化，使目標管線及其周邊環(huán)境均產(chǎn)生感應電流，其電流大小與磁通量的變化率成正比，頻率與“一次場”相同，且以電磁原點向四周發(fā)散傳播。該交變感應電流在傳導過程中，會產(chǎn)生相同頻率的交變電磁場，即形成所謂二次交變電磁場。

由于目標管線的磁通量遠大于周邊環(huán)境，所以交變電流能夠傳播得更遠、能量更強。同理，與周邊環(huán)境相比，管線所感應產(chǎn)生的二次場傳播得更遠、強度也更強。理論上，探測點與電磁原點距離大到一定程度后，該差異就應該能夠被檢測到，且場強差異會隨著距離的增加先增大后減小、直至二次場衰減消失。

若應用相應的接收裝置觀測該特定頻率的二次場，便能通過磁測差異來最終確定目標管線的空間形態(tài)，達到探測地下管線之目的。根據(jù)探測方式的不同，主動源法包括直接法、夾鉗法、感應法，詳見如下。

①直接法。

主要利用地下管線出露點，如閥門、檢修井、各種表具箱等，使目標管線能夠直接感應特定頻率的交變電磁場。該方法的特點是管線的感應電磁場強度增大了，差異也被放大了；其缺點是只能探測有出露點的管線，探測目標較小。

②夾鉗法。

主要利用特制的夾鉗，將目標管線模擬成發(fā)射機延展的一部分，令交變電磁場直接施加到管線上。其特點是二次場的差異理論上最大化了；其缺點是要求管線的尺寸較?。ū阌趭A鉗夾套），且存在環(huán)繞空間。具體方法為，通過夾鉗直接將發(fā)射機延長線夾套在目標管線上，而后觀測該二次場信號并分析其特征，即能確定地下管線的空間形態(tài)。該方法常用于探測小口徑管徑的管線，例如電力、電信等。

③感應法。

感應法應名可知，其是主動源法理論應用，其方法是在目標管線上方（或附近）放置有交變電流通過的發(fā)射線圈，產(chǎn)生一次場、并感應生成二次場；而后觀測該二次場信號并分析其特征，從而達到尋找地下管線的目的。該方法特點是理論上可探測所有種類的地下管線，對管線的鋪設(shè)方式、現(xiàn)狀要求較低，常用于盲探管線、確定管線走向等。其缺點是對環(huán)境場要求較高，復雜管線探測的精度需要多種方法檢測。

2 位置及埋深的確定

電磁感應法即為通過發(fā)射機在目標管線上施加1個交變電流信號，該電流信號在沿管線傳輸過程中，會在管線周圍產(chǎn)生1個交變的磁場，其大小為I=K×I/k，方向為等勢圓周上的切線方向。

若將該磁場分解為1個水平方向的磁場分量和1個垂直方向的磁場分量，通過矢量分解可知，在目標管線的正上方時水平分量為最大，垂直分量為最小，且該量的大小皆與管線的位置和深度呈一定的比例關(guān)系。因此，通過測量水平分量和垂直分量的大小，就能準確地對地下管線進行定位和測深。

2.1 平面位置的確定

（1）極大值法：極大值法是用垂直線圈測量電磁場的水平分量，由于地下管線形成的二次場水平分量在其正上方最大，所以在管線的正上方地面投影位置上出現(xiàn)極大值。

（2）極小值法：極小值法是用儀器水平線圈測量電磁場的垂直分量，由于地下管線形成二次場垂直分量在其正上方等于零，所在地下管線正上方地面投影位置出現(xiàn)極小值。

在野外實地定深時，上述兩方法應結(jié)合使用，即先用極大值法找到管線的大致位置（極大值法異常易被發(fā)現(xiàn)），再用極小值法校準定位。

2.2 埋深的確定

地下管線主要采用直讀法和特征點法來確定其埋深，其中直讀法探測要求環(huán)境場比較單一，不然根據(jù)場的復雜程度定深會存在一定誤差。精確定深中常根據(jù)現(xiàn)場情況多種方法綜合運用，例如直讀法結(jié)合45°法、70%法結(jié)合 50%法等。

（1）直讀法：原理是利用上下兩個線圈測量目標電磁場的梯度，由于電磁場的梯度僅與目標體埋深有關(guān)，即可換算出管線埋深。

（2）特征點法：具體可分為70%法、50%法及45°法，其中70%以其通用性被廣泛應用。

（3）70%法：先用垂直線圈極大值法定位，然后仍保持接收機的垂直狀態(tài)，沿管線兩側(cè)法線方向移動，尋找兩側(cè)幅值為定位點最大幅值的70%的兩點，該兩點之間的距離等于地下管線的中心埋深。

（4）50%法：同70%相同，先用垂直線圈極大值法定位，然后仍保持接收機的垂直狀態(tài)，沿管線兩側(cè)法線方向移動，尋找兩側(cè)幅值為定位點最大幅值的50%的兩點，該兩點之間的距離等于地下管線中心埋深的2倍。

（5）45°法：先用極小值法（即波谷法）精確地標出管線的位置，把接收器的底端放在地面上，使得接收器傾斜至 45°角，然后仍保持接收機的傾斜狀態(tài)、沿管線法線方向移動，當Hx指示為零時，接收器底部所指地面位置與管線距離，便是管線的埋深。

3 典型案例

為適應城市的發(fā)展及建設(shè)信息化、數(shù)字化城市的需要，經(jīng)湖南某市政府批準，該市決定對主城區(qū)內(nèi)的城市道路地下管線進行全面探測，同時進行管線信息管理系統(tǒng)建設(shè)和動態(tài)更新管理系統(tǒng)建設(shè)。探測面積約570km2，探測完成各類管線長度約23000km。

本次探測主要采用直接法、夾鉗法和感應法進行管線探測，常規(guī)采用極大值結(jié)合極小值法進行定位，采用70%法、50%法結(jié)合直讀法進行定深，探測效果良好。經(jīng)第三方監(jiān)理開挖驗證，成果符合規(guī)范要求，質(zhì)量優(yōu)。部分典型圖件詳見圖1。

4 結(jié)語

電磁感應法是常規(guī)管線探測中主要應用的方法，但其也具有一定的局限性，如對環(huán)境場要求較高，不能一勞永逸地解決所有地下管線探測中遇到的問題；對于新材料非金屬管線、例如PH、PVC 等還無法做到定位定深，往往需要其他輔助手段，例如鋪設(shè)輔助測線、單向供電等來進行探測；對于深度大于8m（環(huán)境場較差時，深度大于5m）的深大管線，理論上還存在技術(shù)缺陷，定深定位存在一定的難度，誤差也比較大；對于多條并行、交錯的復雜管線，其往往要靠不斷變換探測方式來減少多解性，提供探測精度。相信在未來，隨著國家“十三五”計劃對城市管網(wǎng)普查的要求，地下管網(wǎng)探測將迎來更大的發(fā)展，從理論基礎(chǔ)、數(shù)理模型，到探測方法、儀器研發(fā)等都會有長足的進步。

參考文獻

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