基于城市管线数据库之地下管线定位及埋深探测技术探讨

1、基于城市管线数据库之地下管线定位及埋深探测技术探讨摘要： 近年来，随着对城市地下管线管理工作的日益重视和紧迫，对地下管线的测量、探测项目不断增多，管线的位置定位和埋深探测技术在城市地下管线基础数据的测量和数据库的建设中发挥着重要的作用。本文介绍了目前地下管线实际应用的几种探测方法，并从应用电磁法探测地下金属管线的基本理论出发,对三种观测系统的定位及埋深探测误差进行了对比和分析。关键词：地下管线；探测；定位；埋深；电磁法城市地下管线是现代城市高效率、高质量运转的基本保障组成部分。为了给城建管理部门提供准确的地下管线分布资料,建立城市管线管理综合数据库，在实际工程技术应用中大量采用不同的地下管线探

2、测技术。目前，各类地下管线水平位置定位、埋深定位的各类探测技术得到了广泛开展，且方法日趋成熟。 一、管线探测背景 地下管线按照材质不同分为非金属和金属两种。当被探测的地下管线与周围介质存在着明显的物理性差异,管体对土壤占比具有一定规模,能够产生足够的可从干扰背景中分辨出异常时，采用相应的物探方法，即可探知管线在土壤中的分布情况。由于非金属管线导电性差，常规的地下管线探测仪不能进行正常探测，须采用预埋检测带法、探地雷达及面波法、示踪电磁法等方法进行探测。 城市地下空间管线具有埋设方式多样的特点，管线的种类有十几种，埋设的年限不同，而且管线所处的地下介质的多样性和不均匀性，城市化进程的加快，对管线

3、造成掩埋和破坏，均导致城市的地下管线探测和基础数据的获取较为困难。所以，人们往往采用特定的方法以及专用的设备仪器来进行测量，以获得能满足地下管线管理需求的足够精确的数据信息。当前，管线探测领域所使用的仪器主要为金属管线探测仪、地质雷达等设备。 二、常用地下管线定位探测技术方法 进行管线探查前，应在探查区域进行方法试验，以了解该仪器设备和方法技术的有效性、精度和有关参数。不同地球物理条件的地区、不同类型的地下管线、应分别进行方法试验。目前，常用的探测方法有以下几种： （1）直接测量法：其工作原理是发射机一段连接到待测的金属管线上，另一端接地，利用直接加到地下金属管线的信号，如消防栓、管道阀门、水

4、龙头、通信交接箱、电力变电箱等裸露部分，在其周围将产生交变电磁场。此方法信号强，定位准确，深度测试精度高，且不易受周围相邻管线的干扰。但实际情况往往无金属裸露点，无法进行直接测量。 （2）感应测量法：地下金属管线在一次场的作用下，便会产生感应电流，管线中的电流产生二次磁场。在地面上探测二次电磁异常，便可确定地下管线的空间分布和深度。本法因受场地条件及方法本身特点限制，无法长距离使用，实际工作中较少采用，通常都会采用磁偶极感应法。 （3）夹钳法测量：夹钳法是利用夹钳内的环形磁芯，把管线夹在中间，信号发生器输出的交流信号电流通过磁芯的初级绕组在磁环上形成环绕管线的磁场，这个由交流信号产生的变化的磁

5、场在管线方向上产生感生电动势，根据管线的导电性及综合阻抗，产生相应的感生电流，利用管线探测仪配备的耦合环来夹住被探测的管线，然后通过耦合环把电磁信号加载到管线上，以达到对管线进行测量的目的。这种方法定位定深精度高，信号强，适用于不宜使用直接法探测且管线直径小的金属管线或电缆，如电力、燃气入户管线、电信类电缆等，但要求管线必须有出露点，而且夹钳的大小要大于被探测管线的直径。 （4）电磁波测量法：工作原理就是通过特定仪器想地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。 电磁波在介质中传播，当遇到存在典型差异的地下管线时，电磁波变发生发射，返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线收到的雷达波进行处理和分析

6、的基础上，根据波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标的空间位置、结构、电性和几何形状，从而达到探测的目的。它可以探测地下的金属和非金属管线。通常探地雷达由发射天线和接收天线组成，装载在一辆小推车上，便于移动和位置确认。 是一种非破坏性的探测技术，并具有较高的探测精度。尤其对非金属管线方面应用提供了一种较好的解决手段。 （5）示踪电磁法：是将发射电磁信号的示踪探头或导线送入非金属管道内，用接收机接收探头或导线发出的电磁信号，从而确定地下管道的位置。其局限性是必须能可视出入口的非金属管道，并要进入管道内部。如埋深过深，信号衰竭也很严重，精度受影响。 三、电磁法进行地下管线定位和埋深测定的基本原

7、理 在城市建设中, 除少量地使用非金属管道外,绝大多数采用的各种金属材料都具有良好的导电性,这为应用电磁法探测地下管线提供了物理基础。通常在管线上发送某种频率的交变电流, 然后在地面上观测由该电流产生的交变磁场分布特征, 即可达到探测地下管线的目的。 (一)、三种观测系统定位及埋深探测误差分析 用不同的线圈组合方式，可以组成3种观测系统。 （1）哑点法观测系统 地面磁场分量为零的点称做哑点。用单个水平线圈接收磁场的垂直分量,利用BZ=0的点,可确定管线的平面位置,量出B45=0点的位置到BZ=0点间的距离,便是管线的埋藏深度，这就是所谓的哑点法。由于整个测量过程中只要求能判断出最小值的存在,而

8、不需要求出这个值的绝对大小,所以仪器性能稳定与否,并不影响定位定深的精度。 （2）水平磁场强度观测系统 用单个垂直线圈接收磁场的水平分量，当x= 0时，Bmax有极大值，正好位于管线的正上方，这确定了管线的平面位置。利用半极值点间的距离等于2h求埋深。这就是“单峰法”，又称“水平分量特征点法”。 此方法的优点是异常幅度大,异常形态单一, 极大值附近的信噪比较大,受干扰影响小。因此，有效地利用水平分量异常来确定管线的位置和埋深，往往可取得很好的解释结果, 其误差主要是由仪器的稳定性和线性造成。 （3）水平磁场垂直梯度观测系统 用上下两个垂直线圈T、Bz在不同的高度上接收电磁场水平分量，分别用BX

9、T和BXB表示，T和B两个线圈之间的距离为D(如RD400系列管线仪D=40cm)。当探头位于管线正上方，即x=0时，利用这两个线圈可直接求出埋深。这样就可以利用两个垂直线圈测得的BXmax，对地下管线进行定位，用T、B线圈所测得的水平分量极大值和T、B线圈距D送入计算电算电路，根据公式可直读管线埋深h，这就是“双天线直读深度法”或称“水平分量垂向差值法”。“直读深度”也就是仪器显示的这个“深度”不是精确测量值，而是一个估测深度，其误差主要是由垂直于管线走向的电磁干扰及接收机内两个通道的一致所造成。 （二）对比分析和认识 综上所述, 采用电磁法进行地下管线探测可得到以下几点认识和体会: （1）

10、“哑点法”是一种定位误差大于定深误差的方法，适用于对管线定位和定深都要求不高的探测任务；“水平分量特征点法”是一种定位定深误差大致相同的探测方法，适用于管位和埋深都要求准确的探测任务；“水平分量垂向差值法”是一种定深误差大于定位误差的方法，适用于对管线定位要求准确而定深要求不严的探测任务。 （2）对于平行的双管线，从异常曲线形态来看，三种方案都有可能把双管线异常误判为单管线异常。但具体分界线不同，其分界线所对应的2b/h 越小，则该方法的水平分辨率越高。 （3）若想获得好的探测结果，就要正确认识异常源的性质。为了区分是单管异常还是双管异常，我们可以从水平磁场强度异常曲线的整体形态来识别。当确定

11、为双管异常后，再改变激发方式和位置，就可以高精度地完成各管线的定位和定深工作。 在实际工作中，我们经常会遇到更为复杂的情况，既有单管、双管，也有多管及非金属管线，有时还会存在各种管类混合排列分布的现象。根据多年的实践经验，城市地下管线探测在借助仪器设备测量的同时，调查也是一个很重要的环节。只有把两者结合起来, 才能快速、准确、有效地解决实际问题。 随着科学技术的迅速发展，特别是计算机技术、GIS技术、GPS定位技术、测量技术、运行电缆检测技术的不断成熟，使地下管线探测的今后的探测向多学科模块化、精确化、可视化、信息化方向发展，同时也会为管线数据数据库建设提供更为准确详尽的基础数据，提高现有管线GIS、PMS系统的管理能力成为可能。进一步将融合物联网技术、远程通信技术、故障预