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咨询热线:17736920826非金属管线探测的方法
本站 2021/6/8 10:14:16
刘春明
摘要:对非金属管线探测方法进行概要总结，提出了多种探测技术方法，并对每种技术方法的基本原理、工作方法、优缺点等进行了阐述。
关键词:非金属;管线;探测
An overview of methods for the detection of nonmetallic pipelines
LIU ChunMing
JINDI UNDERGROUND PIPELINE DETEDTION CO.,LTD
Abstract: This paper summarizes the method of nonmetal pipeline detection, proposes several detection methods, explains the basic principles, working methods, as well as the advantages and disadvantages of each technology.
Key Words: Nonmetal; Pipeline; Detection
一、前言
城市地下管线是城市的血脉和神经，是城市正常运行的保证。但由于各种原因造成地下管线家底不清、资料不全，在城市建设中因地下管线现状不清引发安全事故。
近年来随着城市化的不断加快，城市地下管线材质日益丰富，非金属管线大量替代金属管线。金属管线本身导电、导磁，一般情况下与周边介质有明显的物性差异，可以选用电磁感应法等快速有效的方法。非金属管线由于不导电、导磁，与周边介质物性差异小，对于有出入口的非金属管线可以采用示踪电磁感应法，但对于没有出入口的非金属管线则需采用其他物探方法。本文对非金属管线的探测方法进行了概述，以总结经验并希望能够为城市地下管线探测工作者提供借鉴。
二、探地雷达
(一)基本原理
探地雷达是根据电磁波在地下传播过程中遇到不同的地质界面会发生反射的原理进行的。一般情况下目标管线和周围介质都存在物性(主要是电性)差异。
探地雷达将高频电磁波以宽频短脉冲的形式，由地面通过发射天线送入地下，经地质界面或管线反射后返回地面，另一天线接收。
来自地质界面的反射波其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化，由此可根据反射波的旅行时间(双程走时)、幅度、波形及介质电磁波速度等，推测地下管线的空间位置和埋深(见图2.1)。已知管顶处反射波旅行时间、平均介质电磁波速，则地下管线管顶埋深可由下式计算得到:
d0=v·t0/2
式中: d0------地下管线管顶埋深;
v----为平均介质电磁波速;
t0----管顶处反射波旅行时间。
图2.1 探地雷达工作原理示意图
(二)基本工作方法1、地面雷达
1)根据现场调查及资料调绘确定目标管线的大概走向，沿管线走向垂直布设测线。
2) 波速测定:探测前在测区内选择已知深度管线测定地下介质平均波速v(单位cm/ns);
3)采样时窗估算:探测深度h一般宜选择为目标深度的1.5倍，时窗选择略有富余，宁大勿小。
2、孔中雷达
1)由于近地表电导率高，地面雷达的有效探测深度多在几米范围内，不适于进行深部探测。而孔中雷达可以通过钻孔直接进入地下深部(见图2.2)。
图2.2 孔中雷达探测原理及现场
2)孔中雷达与地面雷达的基本原理相同，包括雷达发射机和接收机，并内置于不同的天线内。
3)孔中雷达可以采用以下模式:跨孔、地面-孔中等模式。
4)孔中雷达是一项新的技术，多应用于地质灾害预警、核废料掩埋场导水断裂带探测等。该技术对解决大埋深非金属管线提供了理论基础和可能。
(三)注意事项
1)邻近管线排除:城市复杂条件下应首先对目标管线周围其它金属管线或具备示踪法条件的非金属管线完成探测。
2)填土不密实:雷达断面上的波形表现杂乱无章，目标管线波形基本被覆盖。可以利用开挖沟槽回填土与周围土壤的差异探测管线大概位置，结合钎探探测管线深度。
3)地下长条形、椭圆形物体干扰:有些时候，在布设的雷达断面上，有可能产生一些类似管线异常，为避免误判，应在探测异常断面附近应重新布设断面以验证。
4)地下介质介电常数受回填土、含水量等影响较大，因而应对地下平均介质波速v进行经常性验证。
5)地下管线埋深较浅时，时窗不宜设置过大，以有效突出管线反射信号;管线直径较小时，天线移动速度不能太快，否则图像上会出现线状强反射信号，而很难出现双曲线特征，影响判读。
6)雷达在电导率低、低涡流的介质中特别适用。在含水率高的介质中，电磁波易被吸收，有效测深不足。
7)管径与可探测深度关系可以用以下估算:
Rv=0.08H 0＜H＜3m
Rv=0.50H H≥3m
例如:2米深度，当管径小于160mm时基本不可探测。
3米深度，当管径小于1500mm时基本不可探测。
(四)优缺点
优点:一种非破坏性技术，应用范围广，效率较高，采用微机控制与成图，图像清晰直观，适于探测各类材质管线。
缺点:就地下管线探测而言，受回填土和邻近非目标管线的杂乱回波干扰较大，受探测场地平整度限制，探测深度有限。
三、示踪法
示踪法是电磁感应法的一种特殊形式，包括示踪探头、示踪线等。
(一)示踪探头
一种微型磁偶极子发射线圈，用于定位有出入口的非金属管线。
(1)示踪探头追踪
以探头进入管道的入口为起点，每隔一定间距，停止探头前进，进行探头的定位。
(2)示踪探头精确定位:
第一步:接收机表头垂直于示踪探头轴向，沿示踪探头轴向移动，在经过探头时出现三个峰值响应。依次为次峰值-谷-峰值-谷-次峰值，主峰值点为示踪探头纵向峰值点。如图3.1所示。
第二步:定位纵向峰值点后，接收机以纵向峰值点为中心，沿垂直于示踪探头轴线的方向移动，横向峰值点位置为示踪探头平面位置。如图3.2所示。
3.1示踪探头纵向定位原理 3.2示踪探头横向定位原理
(3)示踪探头深度测量
示踪探头纵向两个谷值点距离的70%为示踪探头准确深度。如图3.3所示。
图3.3示踪探头测深原理
(二)示踪线
示踪线法分两种情况，一种是在非金属管线铺设过程中沿管线铺设的金属导线，如3.4所示;二是在有出入口的非金属管线内部穿入一根金属导线，至少保证导线端部剥开1米左右，裸露出金属线，以与管道内汽水接触，提供信号回路，如3.5所示。探测时，须使用发射机直接法对导线施加信号，其它探测方法同金属管线电磁感应法。
3.4随管线埋设铺设示踪线
3.5 空管内穿入示踪线
四、声波法
(一)声波传导
由发射机(震荡器)发射一定频率的声波信号，该信号由与管线连接的振动器传输到管壁或管道内流体上并沿管壁或管道内流体向远端传播，接收机(拾音器)在地面上捕捉该声波信号，从而确定管线位置,如4.1所示。
该类设备包括发射机、震荡器、接收机、拾音器、耳机等。
4.1声波传导探测原理
(二)声波反射
其工作原理类似于探地雷达，只是发射机发射的是声波、接收机接收的也是声波，工作模式也是采取断面扫描的方法，通过监控反射波的强度、速度、时间间隔分析地下介质变化探测地下管线。不同于探地雷达，声波反射不受地下介质电导率影响，但当地下介质不密实时探测效果受影响较大。
4.2声波反射探测原理
五、地震波法
(一)基本原理
(1)地震波法是以地下各种介质的弹性波波速及波阻抗差异为基础，研究有人工震源(如锤击)产生的地震波传播规律，用来解决地下介质分布状况的一种物探方法。根据利用地震波的不同，又分为直达波法、折射波法、反射波法和瑞利波(面波)法，在地下管线探测中比较常用的是面波法或地震映像法。
5.1地震波法原理
(2)人工震源:如重锤、连续震动源、气动震源等。
(二)适于探测的管道
用于探查直径、埋深较大的金属和非金属管道、管沟、排水箱涵、人防巷道等。
(三)基本工作方法
(1)在野外观测作业中，垂直于管道走向布置测线，沿测线等间距布置多个检波器来接收地震波信号。
(2)依观测仪器的不同，检波器或检波器组的数量少的有24个、48个，多的有96个、120个、240个等。
(3)每个检波器组接收的信号通过放大器和记录器，得到一道地震波形记录，称为记录道。记录器将放大后的电信号按一定时间间隔离散采样，以数字形式记录原始数据，原始数据可回放而显示为图形。
(4)常规的观测是沿直线测线进行，所得数据反映测线下方二维平面内的地震信息。这种二维的数据形式难以确定侧向反射的存在以及地质体走向方向等问题，为精细详查地层情况以及利用地震资料进行地质体描述，有时在地面的一定面积内布置若干条测线，以取得足够密度的三维形式的数据体，这种工作方法称为三维地震勘探。三维地震勘探的测线分布有不同的形式，但一般都是利用反射点位于震源与接收点之中点的正下方这个事实来设计震源与接收点位置，使中点分布于一定的面积之内。
(5)把数据下载到室内计算机上，处理生成地震实测剖面图图或三维图。
(四)优缺点
优点:受介质电导率影响较小;它适用于较大口径深埋金属、非金属管线;浅部干扰管线影响不大。
缺点:探测钢筋混凝土管线平面定位精度、埋深精度难以达到规范要求;探测塑料管线平面定位精度不高，难以测定深度;城市环境下受车辆等振动、噪声等影响大。
六、高密度电阻率法
(一)基本原理
1)电阻率法是以地下管线与周围介质之间导电性差异为基础，通过供电电极向地下供电，然后研究由于地下介质、管线的存在引起的电场变化，如图6.1所示。电阻率仪通过测量电极得到不同测点间电位差，借此计算各测点间的视电阻率。
6.1电阻率法原理示意图
2)高密度电阻率法实际上是集中了电剖面法和电测深法。其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法，仪器采用程控方式进行数据采集和电极控制，如图6.2所示。
它可实现电阻率的快速采集，并能在现场进行数据处理，在接地条件较好的路段，可以用来探测一些深埋管道。
6.2电阻率法装置示意图
3)高密度电阻率法野外测量时将全部电极(几十至上百根)置于剖面上，利程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。
(二)适于探测的管道
在接地条件较好的场地探测直径较大的金属或非金属管道。
钢、铸铁等金属材质管线或含金属骨架的管道电阻率低于周围土层电阻率，而塑料、橡胶、陶瓷等材质管道的电阻率高于周围土壤，这为分辨地下管道的电性差异提供了良好的基础。因而，电阻率法即可以对金属管线进行探测，也可以对非金属管线进行探测。
(三)基本工作方法
(1)首先根据现场调查或相关资料确定目标管线的大致走向、深度、材质、规模，以初步确定电极间距等参数。
(2)在已知区域根据初步确定的参数进行实验，实验数据传到计算机后，经过地形改正、坏点去除等预处理，使用反演软件进行反演成图，与已知情况进行对比，选择参数，再对未知区域进行探测。如图6.3、6.4所示。
6.3电阻率法金属管道模型及正演结果、反演结果
(3)施工现场测线布置:垂直待测地下管道并布设测线，根据实验结果布设电极。
(4)通过供电电极向地下供电，然后通过测量电极得到不同测点间的电位差，借此计算出各测点间的视电阻率。
(5)数据传到计算机后，经过地形改正、坏点去除等预处理，使用反演软件进行反演绘制地电断面图。
(6)在高阻区中解析、推断低阻区，在低阻区中解析、推断高阻区。对有相同特征规律的多个断面中的低阻区或高阻区连线即为管线走向和埋深。
(四)优缺点
(1)优点:
与常规电阻率法相比，高密度电法具有以下优点:
1)电极布置一次性完成，不仅减少了因电极设置引起的故障和干扰，并且提高了效率。
2)能够选用多种电极排列方式进行测量，可以获得丰富的有关地电断面的信息。
3)野外数据采集实现了自动化或半自动化，提高了数据采集速度，避免了手工误操作。此外，随着地球物理反演方法的发展，高密度电法资料的电阻率成像技术也从一维和二维发展到三维，极大地提高了地电资料的解释精度。
4)加大电极间距可以改变勘探深度，设计好电极间距，可以达到其它方法达不到的勘探深度。
(2)缺点:
1)在高密度电阻率法实际工作中，最大电极距的布置是根据所要勘探的深度决定的，为了能勘探到所需深度h，电极距必须大于3h。然而在地下管线探测中，往往不能漏测小异常体，这就要求点距要足够小。因此既要考虑管线埋深，也要管线规格。
2)在城市复杂环境下，容易受外界各种因素影响，抗干扰能力差、探测精度不高，不能作为一种独立方法对管线进行探测，需要与其他方法综合使用。
3)数据处理解释较复杂。
4)是一种体积探测方法，当埋深过大或体积过小，会影响探测效果。
5)城市环境下测线及电极布置受限较多，难以布设长距离测线、电极与地面耦合效果难以实现。
七、记标法探测
(一)工作原理
记标法是RFID射频识别技术在地下管线的一种应用，一般由记标和记标探知器两部分组成。其工作原理是记标在记标探知器特定频率磁场的激发下可产生同频二次场，记标探知器也可以接收记标发射的同频二次场。
7.1记标法工作原理
(二)记标的使用方法
在管线埋设的同时，将记标埋设于管道的关键部位，查找管线时使用记标探知器查找记标，即确定了管线位置。
(三)现状
目前应用于地下管线的记标具有数据存储区，通过记标探知器将管线信息写入或读出记标。
(四)优缺点
由于RFID具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境等，在非金属管线的定位、标识方面具备其它物探方法不可比拟的优势。但目前记标的成本、价格仍比较高，在国内应用处于起始阶段，现状管线埋设记标的不多。
八、其它方法
地下管线惯性定位技术是一种管内测量定位技术，不受管线埋深、材质、周边介质与地表环境影响，但需要管道两端开口，因此，适合在管道覆土竣工后投入使用采用。
钎探是在采取其它物探方法初步确定管线概略位置后，对埋深不超过3米，规格较大的管道可以采取多点钎探的方法。
钻探是在采取其它物探方法初步确定管线概略位置后，对埋深超过3米，对于大规格管线选取无损钻探设备进行精探，如静力触探钻机。该机通过液压传动机构，将电测探头匀速地压入地下，从而通过仪器记录其深度下土地层对探头的贯入阻力。
参考文献
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[2] 刘国兴.电法勘探原理与方法. [M].北京:地质出版社，2005.
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[4] 何伟等.高密度电法在探测地下金属与非金属组合管线中的应用. [J].工程地球物理学报，2008(1);
[5] 张永命.地下管线高精度探测技术. [R].
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