地下管线物探测量方法研究

2017-04-12丁美青张恩泽

淮南职业技术学院学报 2017年1期

关键词：探地电法测线

丁美青，张恩泽

（安徽理工大学地球与环境学院, 安徽淮南232001）

地下管线物探测量方法研究

丁美青，张恩泽

（安徽理工大学地球与环境学院, 安徽淮南232001）

随着我国经济建设和改革开放的迅速发展，以及西气东输，南水北调等工程的开展，地下管线的种类和数量在不断增加，由于许多工程项目必须在已知地下管线分布的情况下才能进行施工，所以对地下管线的探测工作逐渐被提上议程；从物探方法的原理入手，分析了国内外物探方法在地下管线探测中的应用，介绍了各种探测方法的原理和适用条件，指出在日后实际探测工作中，可根据地下管线与周围岩土层的物性差异，选择相应的探测方法，并提出了物探方法在探测地下管线中存在的问题和建议。

地下管线；物探方法；物性差异；瞬变电磁法；高密度电法；探地雷达法; 浅层地震波法

1 引言

地下管线不仅是城市建设的一部分，也是城市赖以生存的“生命线”。随着我国经济建设的迅速发展，地下管线的种类和数量也在不断增加，这条“生命线”也逐渐被提上议程[1]。由于历史原因，国内许多城市地下管线分布模糊不清，管理系统不够规范，存在严重的安全隐患，所以地下管线探测技术在城市地下管线管理中的地位尤为重要。地下管线探测技术就是对城市地下各种管线进行探查和测绘的交叉技术，由20世纪末期传入我国，发展迅速，很快形成一股热潮。发展至今，地下管线探测的理论和技术已经相对成熟。

2 物探方法简介

地下管线可大致分为三种，即金属类管线、内层含金属、外层为绝缘层的电缆类管线以及由水泥，塑料等构成的非金属类管线。由于这些地下管线的密度、波阻抗值、导电性以及导磁性等与周围岩土层存在明显差异，这就为物探方法探测地下管线提供了理论基础。因此，根据这些物性差异，可以选择合适的物探方法对地下管线进行探测，提高工作效率。

2.1 瞬变电磁法

对于地面无明显突出露点的金属管线以及含有金属，外表为绝缘层的电缆类管线，通常采用探测效果更为明显的瞬变电磁法。瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电极（磁源）向地下空间发射脉冲式一次电磁场（一次场H1）。在一次场H1探测范围内，若存在金属类管线或管道，由于金属表面存在自由电荷，在一次场H1的作用下将会形成电流，电流沿着金属管线表面流动。根据电生磁原理，带电管线周围的空间将会产生圆形磁场（二次场H2）。于是在地面上用线圈或接地电极观测二次场H2的空间和时间分布，从而来推测地下管线的位置和深度[2]。

瞬变电磁法探测过程是在所测管线走向垂直方向布置测线，发射回线和接收回线重叠布置。随后沿测线方向，按一定距离移动（可根据实际管线复杂程度确定距离），采集一次数据。采集得到的数据通过“滤波→一维反演→时深转换”处理流程[3]，得到测线成果图。根据不同管线的物性差异，金属类管线反映为低阻，非金属类管线反映为高阻，从而推断出地下管线的类型、埋深及位置。

该方法适用于金属类管线或电缆类管线的探测，如自来水管或者含水管线、通信电缆等管线的探测工作。对其他类型的管线也有一定的效果，但是对地下管线深度，管径等信息的探测存在明显的缺陷。成果图中的低电阻或高电阻也是一个相对概念，其范围还需要根据已有的管线信息和人为经验来划定。因此，瞬变电磁法得到的成果也存在相应的误差。在实际探测工作中该方法通常和探地雷达法或高密度电法交叉使用，相互验证。

2.2 高密度电法

城市地下管线除上述金属类管线及电缆类管线外，还包括非金属类管线，如给排水管道，混凝土管道等。此时，瞬变电磁法及相关电磁感应方法将很难发挥作用。所以对于这些非金属类管线或管道的探测工作通常由探地雷达或高密度电法来完成。高密度电法是以目标管线与周围岩土体导电性差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地下空间传导电流分布规律的一种电探方法[4]。采用高密度电法来探测地下管线的埋深和位置，通常是把直流电流通过电极向地下空间供电，此时地下空间将形成一个稳定的电流场，由于上述管线多为混凝土质，其电阻率远远高于周围岩体或土体。通过研究土层（岩层）及管线所引起的电场变化，并对现场所测数据进行处理得到地电断面图。除此之外，可根据电阻率的分布情况，可在高阻区中推断低阻异常。相反，在低阻区中推断出高阻异常，对有相同特征规律的若干地电断面中的高阻区（或低阻区）连线即为管线的位置和深度[5-7]。

由于金属管线及集束型通信光，电缆自身导电性特征与周围岩土层接近，所以使用高密度电法得到的地电断面很难分辨高低阻异常，探测效果不理想。而对于一些非金属类管线（或表面含高绝缘材质的金属管线），一般采用高密度电法。使用高密度电法探测地下管线时，电极布设一次完成而且可以自动采集现场数据，工作效率较高。采集得到的数据量较大，可以反映清晰的地电断面。但是对于介质差异不明显的地下空间，高密度电法的探测效果也不能满足要求。

2.3 探地雷达法

在城市地下空间中，对于埋深较浅（埋深小于-2 m）的金属管线或非金属类管线，最常用的探测方法为探地雷达法。探地雷达法（又称地质雷达法）工作时，在地面上布置测线。通过发射天线向地下空间发射高频率电磁波，当高频率电磁波在岩土层中遇到探测目标时，电磁波反射回地面，并被地面上的接收天线所接收。根据接收天线接收到的反射回波的时间和形式来确定管线的位置和埋深[8]。

探地雷达法在探测过程中，测线的布置尤为重要。通常测线与管道走向垂直布置，测点间距可根据地下空间复杂程度来确定。探测工作所得到的原始数据经过“一维滤波→静校正→增益→二维滤波→时深转换→图像显示”等处理流程，得到管线成果图。高频电磁波在地下介质中行程为：

（1）

（1）式中：t为电磁波在地下介质中行程时间（ns，ns=10-9）；z为目标管线埋深（m）;x为收、发测点间距（m）;v为电磁波在地下介质中的传播速度（m/ns）。其中，电磁波波速v可由介质的相对介电常数εr确定：

（2）

（2）式中c为电磁波在真空中的传播速度（0.3m/ns）。探地雷达法不仅适用于非金属管线的探测，同样也适用于金属管线的探测，应用范围十分广泛。尤其对于非金属管线的探测，探测剖面中有明显的管线异常反映，探测效果良好。但是对于有些埋深较大的管线，该方法的探测效果往往达不到要求[9]。所以在实际探测工作中，应综合考虑目标管线埋深以及目标管线与周围岩土层的差异性，来确定探地雷达法是否作为主要方法还是辅助方法，以便更好的完成探测工作。

2.4 浅层地震波法

对于铺设在水泥或者沥青路面以下且埋深相对较大的地下管线，探地雷达法探测效果较差。此时，可用浅层地震波法来探测地下管线的位置和深度。浅层地震波法是利用地下岩土层的波阻抗值的差异，在地表以人工方法激发地震波，随后地震波以应力波的形式向地下空间传播，当遇到不同介质的波阻抗界面时（如地下金属、非金属管线与周围岩土层的分界面），会产生反射，折射和透射[10]。这些地震波信号被布置在地面上的检波器获取，通过研究分析地震波携带的信息及传播规律，对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下管线的位置及埋深。

浅层地震波法探测过程是在所测管线走向垂直方向布置测线，检波器走向应与所测管线走向基本垂直。地震仪采集到的原始数据经过“预处理→去噪→反滤波→速度分析→动校正→偏移叠加→时深转换”处理流程，得到管线成果图。

在浅层地震波法中，可根据利用地震波的不同分为反射波法、折射波法和瑞雷面波法。实际探测工作中，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浅层地震时间剖面，可用于探测埋深和口径较大的金属或非金属管线。瑞雷面波法则是利用地下管线与周围岩土层的面波差异来定位地下管线。浅层地震波法适用于激振条件良好的硬质地面，可用于探测埋深较大的金属及非金属管线。相比其它方法，该方法抗干扰能力强，但缺点是探测成本较高，工作效率低。

3 探测工作的注意事项

物探方法介入地下管线的探测工作，因其探测成果的多解性、间接性、误差性，往往需要综合考虑各方面因素。在探测工作开始前，应对探测区域进行现场调查，了解探测区地质构造以及目标管线与周围岩土层的物性差异，选用合适的物探方法进行探测。并在此基础上进行预试验，确定该物探方法的探测效果和精度以及在探测区域附近无管线区测取背景数据。在探测过程中，应严格遵循“先已知后未知、先简单后复杂、探测方法有效、快速、轻便和复杂条件下宜采用综合方法进行探测”的原则，并合理和正确的布置测线，做到不误测，不漏测。在探测工作结束后，对于噪声较大的数据往往引入数学方法进行消噪处理，如应用小波变换法和模拟退火法对数据进行预处理[11]。

4 工程实际应用

测区位于某厂区两厂房之间，基底坳陷，第四系覆盖层厚度约20m，地势平坦，整体趋势是自西向东方向缓倾。表层为人工填筑混凝土，底部依次为褐色素填土，青灰色淤泥质粉质粘土及灰黄色可塑-硬塑状粘土，地下水埋深较深。测区内南北方向上铺设有三处混凝土质给排水管道，现应用高密度电法和瞬变电磁法对地下管道进行定位探查。两种探测方法测线均垂直管道方向布设，测线分别长45m和40m，均对原始数据进行反演视电阻率断面，所得测线成果图如图1，2所示。

图1为高密度电法反演所得到的测线成果图，通过分析，测线方向5m、10m、20m及30m，埋深-3m～ -5m处圈定高阻异常区。根据市政管线资料，测区地下-3m～ -4m处铺设直径约0.5m的混凝土给排水管道，圈定的高阻异常区与管道布设位置基本一致。图2为瞬变电磁法反演所得测线成果图，测线方向9m、20m、30m，埋深-3m～ -5m处圈定低阻异常区。由于混凝土管道中含有钢筋框架，故管道呈现低阻异常，与市政管线资料基本吻合。两种探测方法交叉验证，满足探查要求。