综合物探技术在地下管线探测中运用分析

林标太

【摘要】随着城市化进程的不断推进，我国各地区的地下管线系统日益庞大，地下管线探测的受关注程度也不断提升。基于此，本文简单介绍常用物探技术，并探讨综合物探技术在地下管线探测中的具体应用，供业内人士参考。

【关键词】综合物探技术;地下管线探测;探地雷达【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

综合物探技术能够对地下管线分布情况开展探查及测绘，不同管线的埋设位置及深度可由此明确，这能够为各类工程建设提供有力依据。为保证综合物探技术的应用取得预期效果，正是本文的研究目标。

1、常用物探技术

1.1基于电磁感应的物探技术的应用

电磁感应法的主要应用原理为：充分利用矿石、岩石的导电性、导磁性、介电性方面存在的差异，将之作为“物质基础”，应用电磁感应原理，通过多元方式（人工观测或借助设备观测），对天然形成或人工合成的电磁场的空间分布、时间或频率变化的规律进行观测，最终根据对应物质的参数的差异，对探测区域地下土层的成分构成进行确定。具体而言：第一，众所周知，金属物质的核心特性为“导电性”，但“导电”过程的实现必须建立在一定的前提条件之上。如导电的金属管线周围必须存在或强或弱的磁场，应用电磁感应原理，完成对该磁场对外发射信号的接收之后，可以判断管线当前存在的位置、埋深等。总体来说，此种方法是目前公认的探测地下金属管线最常见、最有效的方式。第二，基于电磁感应的物探技术的适用范围包含：具备一定导电性能的金属管线（如现代生活中常见的电缆、光缆、铸铁给水管等，内部均含有金属材质）。第三，为了在物探过程中更加清晰地找出目标管线，需通过人工方法激发管线中的电流（管线的类型存在很大的差异，故针对不同类型的管线需采用不同的激发方式）。如针对管径较大的金属管进行电流激发时，适合使用直连法，即借助导线，实现管线仪发射机和管道的直接连接，使具有一定频率的电流能够流经管道。在此状态下，探测人员可以对接收机接收管线中的电流产生的磁场进行有效利用，达到探测管线位置及埋深的目的。

1.2基于电测波的物探技术的应用

但地下管线的制成材质不可能全都是金属，一些经由化学工艺合成的塑料材质同样在地下管线中得到了广泛应用。为有效探测非金属材质制成的地下管线，最常用的物探方法为电磁波法。此种方法的原理实际上源于仿生学——蝙蝠通过向外发射超声波，接触物体后反馈相关信息，从而避开前方障碍物。但电磁波法与蝙蝠发出超声波进行探测的过程也存在一定的差异，即蝙蝠发出的超声波仅仅是为了确定前方是否有障碍物，其发出的超声波的作用较为单一，无法对触碰到的障碍物的具体类型进行分析。超声波法在一定程度上具备“已知性”，即探测人员首先需要明确探测区域地下埋设的管线由何种材质制成，当电磁波与之发生“碰撞”之后，根据反馈得到的相关参数，通过查表对照的方式，首先能够确认电磁波触碰到的地下管线是否为探测目标，若答案是肯定的，则可进一步对位置、埋深等情况进行确定。此种方法的应用原理为：①在地面选择合适位置布置测线;②使用探地雷达，借助其发射天线向地下发射电磁波，接收天线（接收管线）会对成功反射的电磁波进行接收，并根据“时程关系”对管线位置、深度进行分析。一般而言，测线布置需满足如下标准：测线与管道的走向之间应符合“垂直”的关系，且不同测量点之间的最佳间距应控制在0.05m。经过采集的原始数据需依次经过“一维滤波→静校正→增益→二维滤波→时深转换→图像显示”，最终得到相关结果。

1.3基于瞬变电磁的物探技术的应用

一些地下管道常年所处的地下区域常年面临较为复杂、脏乱的自然环境，导致管线内可能含有大量雨水、污物。针对此类型的管线进行探测时，为保证探测结果的精准程度，可易世勇基于瞬变电磁的物探技术。具体流程为：①在无需设置接地回线（即磁源）的情况下，首先向地下发送一次场（一次脉冲电磁场），目的在于：对地层介质进行激励，有助于顺利感应到二次电磁场;②利用线圈完成对二次电磁场的接受感应之后，围绕响应信息进行分析，最终达到探测地下管线目标的目的。

2、物探技术的具体应用-以探地雷达为例

2.1探地雷达应用方法

在基于探地雷达的地下管线探测中，需首先开展相关管线资料收集，以此初步判断目标管线位置，这一判断结果用于测算布设，探地雷达用于探测各条测线数据，目标管线的埋深和位置可基于得到的探测图像进行判断。测线布设需保证目标管线的可能走向与测线方向垂直，可能的目标管线分布位置需要由测线长度覆盖，一般需要涉及两侧各2m范围。选择平坦地面作为测线位置，不得存在障碍物和金属物，尽量选择方砖及泥土地面，沥青地面需要避开。一般需要开展多条测线布设，如目标管线无法准确判断，综合判断需通过对多条邻近测线的布置完成，具体如图1所示。

以图2所示的管线为例，抛物线最高点位置为目标管线所处平面位置，由于地下管线探测目标多为圆柱形管线，用于这类管线探测的探地雷达能够得到抛物线形状的电磁波回波信号，受离地面距离最近的管线中央位置影响，管线位置为该抛物线顶端所在处。抛物线最高点对应深度能够直观展示地下管线埋深，结合图2进行分析可以发现，该图的纵轴为传递电磁波信号时间，管线准确埋深需结合周围土壤等介质中电磁波的传播速度确定，电能受到不均匀的土壤介质影响，一般选择对比测量法进行埋深计算，计算公式为：

上式中的T、H、、分别为探地雷达图像上目标管线对应传播时间、目标管线埋深、探地雷达图像上已知管线传播时间、已知管线埋深。

2.2实例分析

目标管线所处土壤环境直接影响探地雷达影响效果，以某路段探地雷达的具体应用为例，得到的探地雷达图像存在显著抛物线特征，管线位置得到明显展示，结合现场勘查和已有资料可以确定，图像中的抛物线对应中水管线，该管线为聚氯乙烯材质。金属探测仪无法完成地下聚氯乙烯材质管线的探测，但探地雷达能够较好完成该任务，准确获取管线埋深及位置，可见非金属管线探测中探地雷达的应用价值较高;以图3所示的某夏季旱地中采集的探地雷达图像为例，探测区域存在2m管径、1.8m埋深的排污管线，但在多次重复探测中，正常工作的探地雷达未得到显著回波信号，管线位置受此影响无法准确判断。深入分析可以发现，之所以探地雷达的应用未能取得预期效果，主要是由于旱地较为疏松且存在较高的土壤含水量，在较为明显的电磁波吸收下，目标管线反射信号无法由探地雷达天线获取，目标管线位置受此影响无法准确判断，因此必须重视土壤环境对地下管线探测带来的影响。

围绕上述探地雷达应用的失败案例进行分析可以发现，探地雷达的应用效果直接受到土壤含水率影响，雨量较多的季节及较高的土壤含水率带来的影响较为直接，探地雷达此时难以获取有效信息。而在较为干燥的土壤中，由于吸收电磁波较少，探地雷达具备更优秀应用效果。在基于高频电磁波的探测过程中，土壤等介质的电导率与对电磁波的吸收系数成正比，具体表示为：

上式中的、、分别为对电磁波的吸收系数、电导率、介电常数，可见增大的电导率对应存在同步提升的对电磁波的吸收系数，全部被土壤吸收的电磁波会导致探地雷达无法取得预期应用效果。围绕土壤含水量与电导率的关系进行分析可以发现，一定范围内增加的土壤含水量对应存在同步增加的电导率，这正是土壤含水率较高会影响探地雷达应用效果的原因所在。如土壤存在不变的电导率，存在较小介电常数时，土壤会大量吸收电磁波并影响探测效果，反之则能够提升探测效果。空气、水、杂填土、沥青、混凝土的介电常数分别为1、81、7～18、3～5、6.4，對应波速分别为0.3、0.03、0.07～0.11、0.13～0.17、0.12，存在较小介电常数的沥青能够大量吸收电磁波，因此探地雷达应用过程中的测线布设需要避开沥青所在处，结合上述探地雷达应用要点，即可保证该物探技术更好服务于地下管线探测，探地雷达与其他探测技术的综合应用也需要得到重视。

结论：

综上所述，综合物探技术能够较好用于地下管线探测。在此基础上，本文涉及的探地雷达应用方法等内容，则提供了可行性较高的物探技术应用路径。为更好服务于地下管线探测，还需要关注各类新型物探技术的研发推广，格雷互补码雷达、采用混沌脉冲位置调制电路的探地雷达均应成为研究热点。

参考文献：

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