城市地下管线探测技术发展应用探讨

朱勇

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 224200）

0 引言

近日，广州突降暴雨导致了重大财产损失这一消息将广州城市地下管网建设推到了风口浪尖，广州几乎每年雨季都会发生大雨洪涝事故，另外道路塌陷，水管爆裂等事故也经常发生，这类事故屡见不鲜，反映了广州城市地下管网建设不够完善，急需进行全面普查。广州市地下管线权属单位种类较多，缺乏统一协调管理，随着各单位新建铺设管线规模越来越大，数据库已出现较大断层，急需进行全面普查，补充更新建档案，统一管理，合理规划，查漏补缺，以保证城市的有序发展。管线普查的完善依赖于管线探测技术的发展，国内地下管线探测技术从20 世纪末发展至今，由早期的较为单一的人工开井调查，发展为开井，声波测试以及包括电磁法、直流电法、磁法、浅层地震法等在内的物探技术的综合应用开展。地下管线探测涉及众多学科，目前不缺探测新技术，但要综合解译分析仍然是一个难点。

纵观国内管线探测技术发展史，地下管线探测内外业一体化是今后发展大势所向，其档案资料也将由传统的人工管理、各单位分支管理过渡到数字化信息化统筹的管理方式[1]。城市地下管网的健康运营是整个城市生态体健康发展的重要保障，规划、建设和管理好地下管线是新型城市建设的重中之重，也是将来维系社会经济、市民生活和城市协调可持续发展的基石。有效的探测技术是目前研究的重点，地下管线的存在会改变原有地下天然或者人工物理场的存在状态，对于由此产生的地球物理条件异常，可以通过地球物理仪器探测其规律，进而判断该处地下可能存在的影响因素，以此推断管线位置，走向和埋深。目前国内外使用的物探方法较多，针对性不同，效果也参差不齐。本文就现有几种物探方法做简单分析评价。

1 电磁感应法

电磁法细分探测方法较多，电磁感应法应用较多，其中金属管线探测仪探测管线是当前应用最为广泛的一种方法，该技术较为成熟，仪器使用成本较低，对技术人员的使用技巧要求不高，可以很快进行生产作业，在目前国内各大城市管网建设蓬勃发展的形势下，对于管线探测人员的大量需要也为金属管线探测仪在国内各作业单位的铺开提供了先决条件。其主要原理是利用电磁感应以探测地下电缆和金属管线的精确走向、深度以及定位电缆的开路、短路及外皮故障点[2]。目前国内外开发的此类仪器种类较多，但基本构成都是发射机和接收机组成。探测过程由发射机产生电磁信号开始，通过不同的发射连接方式将信号传送到电缆和金属管线上，目标管线感应到电磁信号后，产生感应电流，感应电流沿着电缆和金属管线向远处传播，电生磁，产生电磁场信号，接收机通过接受这些电磁场信号，计算判别地下电缆和金属管线的位置、埋深和走向等。该方法技术成熟，不过在非金属管线（混凝土、PE、PVC 等）的探测方面，应用受限，必须借助金属探头，放入管线内部，管线也需要贯通，操作过程比较费力，信号接收有时较差。基于管线探测仪，目前有配套的电子标识系统（EMS），开发出更高智能的电子电位仪，通过该系统，不仅对于管线的走向，埋深等有比较精确的探测，对于管线损坏和泄露等探测的敏感性也较高。

2 电磁波法

电磁波法主要是指探地雷达（GPR）探测法，该方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1～3GHz）电磁技术，基于电磁波基本理论开发[3]。基本组成部分为发射天线、接收天线和主机，通过一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收地下介质界面的反射波，发射天线发出的电磁波传播到了地下，在各类管线与土质界面处产生反射波，其路径、电磁场强度与波形等将随所通过介质界面的电性质差异等反应到几何形态上，经过主机对电磁信号的转换处理后传送到计算机并成像。根据接收到电磁波的振幅、波形及波速等，进行相应的时深转换，以此推算判别地下管线的结构、走向和埋深[4]。探地雷达仪器成本较高，使用需要一定的操作性，数据需要解译处理分析，对于探测地面条件需要较为平坦，同时因各探测点地质情况参数的不同，需要在了解测区地球物理特性，大致管线分布情况的基础上进行相关试验，以调整合理的测试参数再进行探测。此方法经济性较低，城市内复杂的地电条件，也给探地雷达探测以及异常解释带来一定的因难，不宜进行大面积管线探测，一般用于非金属管线探测以及复杂条件下的并行管线等补充探测。

3 高密度电法

高密度电法作为直流电法的一种，以其经济效益高，操作简单，覆盖面广，探测深度大，适应性强的特点，在城市地下不良地质体的探测方面应用较多，包括溶洞，断层，地层划分等。对于地下管线探测方面，该方法对于非金属管线有很好的成像效果，弥补了金属管线探测仪只能探测金属类管线的缺点，形成了很好的互补作用。其主要原理与常规的电阻率法基本一致，以各介质的导电性差异为探测基础、通过对地面电极施加电场，A、B 电极向地下供应电流，然后在M、N 极间电流传入地下，接受电流信号，通过对组合电极间的电位差ΔV 进行测量，可求得该点（M、N之间）的视电阻率值，根据信号推断地下不同电阻率的地质体的分布。

相对于常规电阻率法，高密度电法布置了较高密度的测点，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上进行观测，各电极自由组合。高密度电测系统相较于传统电阻率法引入了自动控制理论，通过大规模集成电路控制电极自由组合，可以获取更全面直观的地下管网信息，方便对比研究。非金属管线（混凝土、PE、PVC 等）与周边的土质有很好的电阻率差异，为高密度电法在管线探测中的应用提供了基础条件，只要地面情况允许，可以弥补金属管先探测仪不能探测非金属类管线的不足。

4 地形电导率仪

地形电导率仪作为辅助管线探测方法在国外使用较多。主要工作原理是通过设备将电导率差异引起的涡流从地面传播到地下，电磁涡流变送器将涡流反射回地面，具有导电性的物体接触与周围土壤不同，所接受到的信号也有差异，反射电流具有可区分的价值。附在末端的接收器设备分析反射电流检测地下设施。该方法可用于复杂环境的地区电导率测试，对于在一些情况下干燥土壤中的大型非金属水管或湿土中大型非金属空管也可以成像。对于目前其他物探方法探测效果较差的大型非金属管有很好的辅助探测效果。但是受探测环境影响，沿线沿架空电力线路及地上生产金属物体，如栅栏、车辆或建筑物，会对电导率读数产生干扰，可能会对探测效果造成一定的影响。

5 声发射法

声发射法是一种声学方法，通过的声发射传感器，连接到一个管线开口上的主线，应用声波从132～210Hz 进入管道，声波沿着管道的走向行进并衰减，同时通过管壁进入管道周围土壤，通过接收传感器接收到地表的声波，监测最高（峰值）间接确定振动振幅，进而判别管线的走向。声发射法可检测的范围高度依赖于载声材料的刚度，作为刚性材料的逆体积模量增大，深度和水平距离的探测能力源声也随之增加。这种方法可以在气体情况下探测深度可达2.5m，涉及水的管道可探测深度可达2m 左右，水平范围可达300m，一般用于塑料燃气管道和水管等公用事业管线检测。不过该方法对环境要求较高，外界噪声的敏感性干扰，刚性土等条件对其探测效果均有影响。

6 结语

基于现在，展望未来。从技术面来看，当前国内管线探测物理手段百花齐放，各有所长，未来城市地下管线探测技术的发展和攻克重点是较为复杂条件下的地下管线探测。这方面主要有两个大方向：①针对不同城市的特点及其特定地质条件、管线不同埋设条件、不同材质进行探查方法技术研究，加强现有各方法仪器对于复杂管线的试验研究，总结各方法对于各类型地下管线的信号响应和数据解译异同，科学划分每种方法的优劣领域，克服单一物探方法的局限性，为多方法综合解译提供准确性较高的基础数据[5]。②积极研究开发高精度、抗干扰能力强、数字智能化的仪器设备。从大局管理方面来看，完善城市地下管线监理机制，加强管线智能检测与定量评价，协调统一各单位权属管线数据库，加强信息共享、交换与管理，合理利用资源，促进城市地下管网的科学健康可持续发展。