【VIP专享】地下管线探测技术5335.pdf

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1、288第五章地下管线探测技术地下管线是城市的重要基础设施，它担负着传输信息、输送能量及排放废液的工作。全面系统地勘察和测绘地下管网的分布，建立城市和厂矿企业地下管网数据库，对城市的正常运营及改造扩建都有十分重要的意义。5.1地下管线的种类及探测方法5.1.1地下管线的种类1给水管2排水管3.燃气管4.电力电缆和路灯电缆5.电讯电缆6.供热管线7.人防通道5.1.2探测方法1.地下管线探测特点（1）地下管线赋存的环境复杂；（2）地下管线种类繁多，由管线所形成的物理场的种类和变化较大；（3）地下管线探测要求仪器具有连续追踪、快速定向、定点和定深的功能，同时要求能在工作现场作出准确的解释。（4）仪器

2、应具有足够的探测深度(35m)，有较高的分辨率和较强的抗干扰性能。目前国内外的有关仪器大多数具有梯度测量的功能，并且一般均可测量电磁场总场的水平分量和垂直分量。2.地下管线探测方法地下管线按其物理性质可大致分为三类：（1）由铸铁、钢材构成的金属管线，如给水，燃气、供热等工业管道。（2）由铜、铝材料构成的电缆(其外用钢铠、铝或塑料包装)，如动力电缆、通讯电缆和有线电视电缆等。（3）由水泥、陶瓷和塑料材料构成的非金属管道，如排水、工业管道或某些给水管等。上述管线与周围介质在电性、磁性、密度、波阻抗和导热性等方面均存在物性差异，因此，人们可以利用导电率、导磁率、介电常数和密度等物理参数，选择不同的地

3、球物理方法进行地下管线探测。地下管线探测方法一般分为两种，一种是井中调查与开挖样洞或简易触探相结合的方法，目前，在某些管线复杂地段和检查验收中仍需采用。另一种是仪器探测与井中调查相结合的方法这是目前应用最为广泛的方法。在各种物探方法中就其应用效果和适用范围来看，依次为频率域电磁法、磁测、地震、探地雷达、直流电法和红外辐射法等。随着科学技术的发展，水下管线探测也已进入实用阶段。5.2用频率域电磁法探测地下管线5.2.1 基本原理应用电磁法探测地下管线，通常是先使导电性好的地下管线带电，然后在地面上测量由此电流产生的电磁异常，从而来达到探测地下管线的目的。其前提是必需满足以下地电条件：（1）地下管

4、线与周围介质之间有明显的电性差异。（2）管线长度远大于管线埋深。在此前提下，无论采用充电法或感应法，都会探测到地下管线所引起的异常。从原理上289讲，在感应激发条件下，管线本身及导电介质均会产生涡流。对于那些直径与埋深可比拟的管道而言。在地表所引起的异常既决定管线本身所产生的涡流，也决定于大地-管线-大地这个回路中的电流以及管线所聚集的、存在于导电介质中的感应电流。由于金属管线的导电性远大于周围介质的导电性，所以管线内及其附近的电流密度就比周围介质的电流密度大。这就好像在管线处存在一条单独的线电流。对一般平直的长管线，可近似将其看成由无限长直导线产生的磁异常，如图 2.5.1 所示，一个电流元

5、在点产生的磁场强度为P（2.5-1）24sinrIdldH式中为电流元的电流强度，为电流元长度，为电流元方向与电流元至点的矢径IdlPr间的夹角，为电流元至点的距离。rP有限长直线电流产生的磁场为（见图 2.5.2）（2.5-2）21212sin41AAAArIdldHH由于（2.5-3）cos)cos(rrl（2.5-4）sin)sin(0rrr于是有sin/0rr将上式代入（2.5-3）得ctg0rl故（2.5-5）20sindrdl将（2.5-5）代入（2.5-1），得21)cos(cos4sin412100rIrdIH当，时，所以无限长直线电流在点产生的磁场强1A2A012P度为（2.

6、5-6）02rIH电流在自由空间产生的磁力线，在垂直于导线走向的断面上是一组以导线为圆心的同心圆。由于地下管线大多数为直线，通过某种方式使其带电，便可根据直线电流磁场的空间分布规律，确定地下管线的位置和埋深。对地下金属管线充电时，其空间磁场可以近似看成是走向很长的水平线状载流导体而引起。若设充电谐变电流，为电流幅值，为角频率，则空间磁场可表示为tieII00I图 2.5.1电流元产生的磁场图 2.5.2无限长直导线中电流产生的磁场290（2.5-2.5-77）rIH2式中为充电管线至观测点的距离。rP若设管线中心埋深为，其在地表的投影点为坐标原点，且轴与管线走向垂直，当电hx流方向指向纸内时，

7、磁场垂直分量及水平分量分别为：zHxH（2.5-8）222sinxhxIrxHHHz（2.5-9）222cosxhhIrhHHHx其幅值理论曲线如图 2.5.4 所示。该曲线具有如下基本特征：（1）在管线正上方，出现极大值而。)0(xxH,2maxhIHx0zH（2）将（2.5-8）式对 求导，并令其等于零，求得当时，曲线出现极大值（亦xhxzH为曲线的拐点），其绝对值为：。xHhIHz4|max图 2.5.4无限长水平管线充电理论曲线2915.2.3最佳工作频率的选择应用电磁法进行管线探测时，其应用效果取决于管线的具体情况及环境条件。为取得最好的探测效果，对每个工区都应通过试验选取最佳工作频

8、率。目前，常用的管线探测仪的频率范围一般从数百 Hz 至 80kHz 以上。其频率的选择原则如下：11kHz 以下：有利于长距离追踪，及对大直径与深埋管道的探测。由于频率低，故不可采用感应法工作，并有时较易受到工频干扰。210kHz：是目前国内外各类仪器采用较多的频率。可以用于感应法，对50Hz 有一定抗干扰能力。应用感应法时，在小直径管线上较难产生较大的讯号电流。330kHz：此频率比较容易将讯号感应到大部分管线上，是一种较常用的频率。但追踪距离较采用低频时小，对地下水位较高的地区，其探测深度也较小。480kHz 以上：该频率较容易感应耦合到邻近平行管线，探测距离小，因此在管线复杂地区的应用

9、受到限制。在干燥地区，可应用感应法探测小直径电缆及短距离电缆，同样在地下水位较高的低阻地区，其应用效果较差。5.2.4管线位置及埋深的确定1平面位置的确定由于地下管线所产生的磁场的水平分量在其正上方为最大。可以通过测量其水平分量，并根据其极大值来确定管线的位置（图 2.5.8(a)）。同样，由于地下管线所产生的磁场的垂直分量在其正上方为最小，所以，可以通过测量其垂直分量并根据其极小值来确定和线的位置（图 2.5.8(b)）。2埋深的确定（1）水平分量垂向差分法这种方法又称为梯度测量，其原理是用一对性能一致的接收线圈、以一定间隔（）t bD水平放置在同一垂线上，以测量管线正上方水平分量场强、。设

10、管线埋深为，管txHbxHh线中的交变电路或感应电流为，则由（2.5-9）式，在管线正上方地面上，线圈取I)0(xt得磁场水平的极大值。hIHtx2而在地面以上，线圈取得磁场水平分量极大值b)(2DhIHbx取二者的比值，则有hDhHHbxtx从而（2.5-DHHDHHHhxbxbxtxbx14）上式表明，只要在取得最大值的点上，用两个传感器分别测得地面和地面以上某一xH高度的极大值，由于两传感器间距已知，就可按（2.5-14）式计算管线埋深。xHDh（2）45 测量法292（2.5-15）224545454245cos)(hxhxIHHHHHxzxz当时，即管线埋深等于磁场最小值点与定位点间

11、的距离（图 2.5.9）。045Hhxx（3）极值法先用磁场最小值定位后，仍保持垂直线圈接收状态，沿垂直管线方向移动，寻找最大值的点，由前可知，该点与定位点的距离即为埋深，如图 2.5.10 所示。5.2.5工hIHz4xh作方法技术1常用仪器（1）RD 系列RD 系列管线探测仪是英国 RADIODETECTION 公司生产的一种仪器，它由一个发射装置和一个接收装置组成，经常用来解决复杂条件下的管线定位问题。目前主要有两种型号：RD400 与 RD600，其发射频率相应为 8kHz、33kHz 与 1kHz、8kHz、33kHz、130kHz。（2）GXD-1 型地下管线定位仪该仪器是机械电子

12、工业部第 50 研究所研制的一种适用于地下金属管线探测的仪器。由于发射功率比较小，宜用于探测埋设较浅的地下金属管线。（3）GK-1A 与 6405C 型地下管线探测仪该类探测仪是北京邮电学校实验工厂生产的一种适用于探测各种有源和无源电缆的探测仪器。该仪器在发射机设计中增加了信号断续发射装置，因而能在复杂环境和强干扰背景中准确地捕捉管线感应信号。（4）METROTECH810850 地下管线探测仪该类仪器是美国 METROTECH 公司生产的一种适用于探测地下金属管道的仪器，该仪器在干扰场不大时，对单根管线的定位及定深都比较准确。除上述仪器外，近期国外又相继推出了一些更先进的地下管线探测仪器，例

13、如美国产的HPL-1 型大功率地下金属管道定位仪及 SUB-SITE70 地下管线定位仪。HPL-1 型大功率地下金属管道定位仪发射功率可达 100W，这使得某些深部的大口径管道的探测问题得以解决。SUBSITE70 型地下管线定位仪由于增加了数字式液晶显示，使得探测工作更直观，且该机输出频率可调，适用于在各种工作条件下获得最佳接收效果。2常用的方法技术常用的方法有两种，一是主动源法，即利用人工方法把电磁信号施加于地下的金属管线之上，包括直接充电法、感应法、夹钳法及示踪法；二是被动源法，即直接利用金属管线本身所带有的电磁场进行探测。城市地下管线探测与常规的物探方法一样，可将其分为踏勘，仪器及方

14、法技术选择、管线定位、点位测量和室内资料整理及成果图件编制五个阶段，各阶段的主要工作内容如下：（1）踏勘阶段（2）方法技术的选择（3）野外定位技术（4）野外点位测量（5）资料整理及编制成果图件5.2.6应用实例l两平行暖气管线的探测2.探测非金属管道2935.3用脉冲时间域探地雷达探测地下管线5.3.3应用实例图 2.5.22 为直径=3cm，长m 的铜管，埋深为 1.05m，位于水池中时的雷达剖面图。1l图中波形反映了铜管的存在。图 2.5.23 为=8.5cm，=1m，埋深=1.04m 的硬塑料管位于水中的雷达实测剖面。实lh测波形反映了硬塑料管的存在。图 2.5.24 为水中存在两根金属

15、管上的雷达实测剖面。两根管的具体尺寸及位置为：左边，=5cm，深 1.07m，位于 4.6m 处；右边，=3cm，深 0.29m，位于 5.4m 处。波形图中明显地反映出了两管线的存在。图 2.5.25 为某铁路工程电缆的探测结果。剖面的43.6m 及 38.3m 处，分别为电缆集束和加有水泥护层的电缆束，埋深均为 0.75m。图 2.5.26 郑州黄河大堤某工区引水拱形涵洞上的探测结果。该涵洞上顶直径为 1m，由砖砌成，洞内淤积泥土和充水，造成波形较大的衰减。5.4其它物探方法在管线探测中的应用5.4.1红外线辐射法红外线辐射探测的理论基础是斯蒂芬定律：（2.5-18）4kTI 式中为物体的

16、辐射通量；为发射率；为常数；为IkT绝对温度。图 2.5.22铜管上雷达剖面图图 2.5.23硬塑料管上雷达剖面图 2.5.24两根金属管线上的雷达剖面294图 2.5.25电缆束上探测实例在实际工作中，把大气背景的影响作为恒定状态，覆盖物是均匀稳定的。那么在一天的某一段时间内，大气背景可认为是不变的，所测得的温度差异是由地下不同介质如水、铁管、水泥管等热特性的差异所造成的。以上海某厂为例，工作场地为厂内一条长30m、宽 4m 的水泥路，东西两侧为车间。日照射时间为中午 12 时至下午 2 时 30 分，地下埋有自来水铁管、电缆、煤气管。水管直径为10.2cm，埋深为 6080cm。探测目的是

17、查明自来水管渗漏部位。所用测网为 1020cm。在地面温度最高和温度最低时进行测量。温差小时采用人工浇水降温办法，以便加大温差，并在计温阶段进行积温观测。观测结果以辐射温度等温平面图和辐射温度剖面图表示。图2.5.27为采用日本产的“点温度辐射计”在该区的实测结果。共布置了 6 条剖面，在高温和低温时进行观测，每次观测，读数三次，取其平均值以部分消除场地热对流干扰。通过观测可知，地下水管与其周围介质的温度差异为 0.41。在午后观测时，管道上出现了高、低温的梯度带，具有一定的连续性和方向性，其两侧为相对稳定和范围较大的低温区和高温区。位于水管两侧的 21.5等值线闭合圈为水管渗漏异常，其特征为

18、在高温场背景上出现低温异常。由此可见，在物理条件适合时，红外线辐射法在探测管线方面也可取得较好的效果。5.4.2超声波法工作原理是利用超声波能够在水中传播的特点，当仪器工作时，发射器按一定间隔不断地发射出一定宽度的电脉冲，电脉冲传输到安装在机船底部的换能器上，换能器把电脉冲变图 2.5.26涵洞上探测实例295换为声能，垂直向水下发射超声波。与此同时，记录器记录下零位线。超声波脉冲在向水下传播过程中若遇到水下的管道，部分声波便被反射回来。反射回来的声波经接收换能器变成电脉冲，并经接收放大器放大后记录下来。因超声波在水中传播速度是恒定的，根据反射波的到达时间，即可求出管线所在的深度。5.4.3水

19、声法当地下管道漏水时，在水压作用下，冲击、摩擦管壁及外部介质，便产生一定的漏水声响。这种漏水声响由三部分组成：1水冲出管壁，产生振动声，其频率在 80250Hz 之间。2水冲出管壁后，冲击周围介质，如粘土、砂土或黄土等产生声响，其频率较宽，主要集中在 250600Hz 之间。3水长时间冲击周围介质，在漏水处形成空洞，构成一个“共振腔”。该处声响的振幅较大，频率较低，主要集中在 6080Hz 之间。上述声响通过土壤传至地表 在地面用声电转换器可将漏水声转换为电信号，经放大后用耳机或仪表指出漏水点在地表的水平位置。为消除环境干扰，测量可在夜间进行。5.4.4甚低频电磁法它是利用军用长波电台，发射频率为 1525Hz 的电磁波作场源的电磁法。其基本原理是，电台发射的电磁波在传播过程中，将会使管线及其周围介质极化，从而产生二次场，由于管线与周围介质在物性上的差异，从而使二次场及其总场均有一定的差异。通过测量这些差异，可发现引起差异的高阻或低阻管线。测量的方法有倾角法、波阻抗法等。