浅谈城市地下管线探测中的地球物理勘探方法

文｜淮海工学院测绘与海洋信息学院 杜良；北京广图软件科技有限公司 王勇

引言

随着城市的发展，城市地下各种各样的管线纵横交错，十分复杂，如何准确的确定管线的位置、走向和埋深是目前一个重要的难题。本文系统的介绍了各种地球物理勘探方法的基本原理和探测管线的适用条件，对管线探测方法的选择具有重要的指导意义。

1、城市地下管线

城市地下管线错综复杂，按管线在城市中的用途，可将管线大体分为给水、排水管线、电力管线、工业管线、热力管线、燃气管线和电信管线。

按城市管线材质，可分为金属管线和非金属管线。

按有无管沟，可分为直埋管线和非直埋管线。通常给水、排水和燃气为直埋管线，热力、电力和电信管线既有直埋也有非直埋（沟道），电力和电信有的还具有管块。

2、地球物理勘探方法

地球物理勘探方法探测城市地下管线物理前提是管线与周围岩土体存在一定的地球物理性质（电性、磁性、弹性、热性）差异，根据物性差异可分为电法、磁法、电磁法、地震波法和热力学法。

2.1 直流电法

（1）电阻率法：以管线或管沟与岩土体之间的电阻率差异为基础，利用电阻率法的原理，采用相应的装置在管线或管沟上产生电阻率异常。该方法适用于探测管径较大的金属管线、非金属管线、管沟或人防巷道，通常认为径深比大于1:10，该方法能够有效的探测管线。

（2）充电法：直流电源一端接金属管线或电缆，另一端接地，在金属管线或电缆周围可以产生电场，根据电场的分布规律，可以确定金属管线或电缆。该方法适用于探测具有金属管线或电缆露头的管线。

2.2 磁法

以金属管线或金属窨井盖与周围介质的磁性差异为基础，利用磁法的原理，采用相应的装置测量磁场，在管线或窨井盖上产生磁性异常。该方法适用于探测磁性干扰较小的金属管线或金属窨井盖。

2.3 电磁法

（1）被动电磁法

1）工频法

以金属管线或动力电缆与周围介质的电性和磁性差异为基础，利用动力电缆本身的电流或附近电缆、工业游散电流在金属管线中感应电流产生电磁场，在金属管线或电缆周围产生异常。该方法主要适用于探测动力电缆或金属管线，使用比较多的仪器为天然电场选频仪。

2）以金属管线与周围介质的电性和磁性差异为基础，利用甚低频（5-25 Hz）无线电发射台的电场在金属管线中感应的电流所产生的电磁场，在金属管线附近产生异常。该方法主要适用于探测金属管线或电缆。该方法特点：操作简便，成本低，效率高，但是精度低，不抗干扰，信号强度与无线电台与管线的相对方位关系密切。我们国家常用的电台：频率为17.4kHz的日本NTD电台；频率为22.3kHz的澳大利亚NWC电台；频率为17.1kHz的莫斯科UMS电台和频率为17.8kHz美国NAA电台。

（2）主动电磁法

1）管线探测仪

以金属管线或电缆与周围介质的电磁性差异为基础，利用金属管线仪发射天线发射电磁波，接收天线接收电磁波，在金属管线或电缆附近产生异常。根据发射天线和接收天线的使用方法，可分为直接法、夹钳法、电偶极感应法、磁偶极感应法和示踪电磁法。

a、直接法：发射天线一端连接到金属管线上，另一端接地或连接到金属管线的另一端，利用发射天线在金属管线上发射信号，接收天线接收加在金属管线上的信号，来确定金属管线。该方法主要适用于有出露点的金属管线，可以确定管线的水平位置和管顶的埋深，或追踪各种金属管线。直接法信号强，定位定深精度高，易分辨相邻管线，但管线必须存在出露点。

b、夹钳法：利用管线探测仪所配专用夹钳，夹在金属管线或电缆上，通过夹钳上的感应线圈把信号直接加到金属管线或电缆上。本方法主要适用于直径较小的金属管线或电缆且有出露点，作定位、定深追踪，能够精确确定管线的水平位置和管顶的埋深。夹钳法信号强，定位、定深精度高，易分辨相邻管线，但必须有出露点，且管线必须小于夹钳直径，信号传输距离较近。

c、电偶极感应法：利用发射天线两端接地形成电偶极子，并产生电磁场，在金属管线中感应产生信号。该方法适用于接地条件较好的地区，用来寻找或追踪金属管线。电偶极感应法信号强，不需要出露点，但必须具有良好的接地条件。

d、磁偶极感应法：利用发射天线产生的一次电磁场，在金属管线中感应产生二次电磁场。该方法适用于寻找金属管线，可用于确定管线的水平位置和管顶的埋深，精度低于直接法和夹钳法。磁偶极感应法发射、接收天线都不需要接地，该方法具有操作方便，效率高的特点。

e、示踪电磁法：在非金属管线内放入发射天线的示踪探头或电缆产生发射信号，用接收天线在地面追踪非金属管线内产生的信号。该方法可适用于有出入口的非金属管线。能探测非金属管线，但必须有出入口。

2）探地雷达法

以金属或非金属管线与周围介质的介电常数差异为基础，利用发射天线向地下发射106-109Hz的电磁波，电磁波遇到金属或非金属管线将产生反射，地面上的接收天线接收来自地下的反射波，根据反射波的特性来确定管线。该方法适用于探测一定直径的金属或非金属管线和带电的电缆，能够确定管线的水平位置和管顶的埋深，通常探测深度为5m之内。该方法可以探测非金属和金属管线，也不需要管线有出入口。

2.4 地震波法

以管线与周围介质的波阻抗差异为基础，利用地震反射法（面波法）原理，应用相应的仪器测量管线周围的弹性波场，在管线上产生异常。该方法适用于探测大直径的金属管线或非金属管线（大直径的非金属管线）。通常，反射法探测深度较大，面波法探测深度较小，两种方法能够探测到圆管线的水平中心位置和管顶埋深。

2.5 热力学法

以管线与周围介质的热性差异为基础，利用相应测温设备（红外线测温仪，地温测量仪）探测管线附近一定范围的温度场，在管线上或周围将产生温度异常。该种方法适用于探测暖气管道或高温输油管道，水管漏水。

3、结语

通过对直流电法、电磁法、磁法、地震波法和热力学法的系统介绍，可以得出以下结论：

（1）地球物理方法能够应用于探测城市地下管线。直流电法、电场法、磁法、地震波法和热力学法都能够应用于探测地下管线。

（2）不同的物探方法适合探测不同的管线。在选择物探方法时，应根据不同的探测目的，结合各种物探方法的适用条件选择探测方法。

（3）采用综合物探法。由于物探存在多解性，为了精确的确定管线的位置、埋深和走向，避免物探的多解性，应根据探测管线的目的，结合物探方法的适用性，选择两种及以上的物探方法。