管线仪及地质雷达探测地下管线

王　强，王志浩

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南 250101)



管线仪及地质雷达探测地下管线

王强1，王志浩2

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南 250101)

摘要：随着近年来城市建设的不断发展，地下管线铺设越来越多，这些管线错综复杂、权属不同部门，理清起来也比较困难。在工程建设时，经常会出现管线被挖断情况，引起电力、供水等中断，尤其是误挖到煤气管道，还会对工作人员造成一定危险。因此对一些没有资料或者资料不准确的城市管线要采取一些手段来查明，从而为工程设计、施工提供依据，避免此类事故的发生。文章介绍了管线仪与地质雷达的基本原理，并通过工程实例介绍了两种方法野外工作步骤，利用管线仪探测金属管线、地质雷达探测非金属管线，分析对比了两种方法各自的优缺点。通过综合物探方法确定了地下管线的位置与形态，为后期设计及施工提供了依据。

关键词：管线仪；地质雷达；地下管线；探测

0引言

随着近年来城市建设的不断发展，地下管线铺设越来越多，例如：通信、电力、供排水、煤气等，这些管线错综复杂、权属不同部门，理清起来也比较困难。在新工程建设时，经常会出现管线被挖断情况，引起电力、供水等中断，尤其是误挖到煤气管道，还会对工作人员造成一定危险。

因此对一些没有资料或者资料不准确的城市管线要采取一些手段来查明，从而为工程设计、施工提供依据，避免此类事故的发生。

1管线仪及地质雷达的基本原理

主要包括管线仪的基本原理和地质雷达的基本原理2个部分：

1.1　管线仪的基本原理

管线仪工作主要是依据电磁原理，电磁法以地下管线与周围介质的导电性、导磁性差异为基础，观测电磁场的变化，确定电磁场的空间与时间分布规律，达到探测地下金属管线的目的。

1)当地下管线无出露部分，不能直接对地下管线供以谐变电流时，首先通过发射线圈，供以谐变电流，在周围产生足够强的谐变磁场，形成谐变电流，带谐变电流的管线在其周围又形成谐变磁场，形成为二次场。电磁法探测地下管线时，可以通过测定二次场的的变化来确定管线的特征。

电磁感应的原理见图1。

图1　电磁感应原理示意图

2)当地下管线本身存在有工频感应电流或者甚低频感应电流时，在地下管线周围产生一定强度的电磁场。

工频和甚低频电磁感应原理见图2。在探测过程中，将地下管线近似为理想状况下无限长线性导体。

图2工频、甚低频电磁感应原理示意图

3)当地下管线具有出露部分，可以直接对地下管线供以谐变电流，通过测定在管线周围产生的电磁场的变化来确定管线的特征。

1.2　地质雷达的基本原理

地质雷达工作方法原理类似于探空雷达，是地球物理方法中的一种高分辨率、高效率的探测方法，是20世纪地球物理探测科学的结晶。

地质雷达方法是将高频电磁波(1MHz～1GHz)，以脉冲的形式通过发射天线定向地送入地下。电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异的地层或目标体时，发生反射、折射和绕射，最后反射回地面的电磁波被接收天线所接收，由地质雷达系统采集并显示。

采集到的电磁波数据经过滤波、走时校正、增益调整等处理后，根据电磁波时间变化、波形、振幅强度等特征，推断地下介质的空间位置、形态、结构和埋藏深度，从而能够探测到地下地层或目标体[1]。

根据探测目标体不同，雷达天线中心频率按式(1)确定：

(1)

式中：f为雷达天线中心频率，MHz；X为空间分辨率，m；εr为相对介电常数。

本次工作中空间分辨率初定为0.5 m，相对介电常数根据场地情况综合选取为16，雷达天线中心频率f为75 MHz，选择与其频率接近的100 MHz天线即可。

雷达观测时窗选择根据下式计算：

(2)

式中：W为走时窗口，ns；v为探测深度，m；v为电磁波在介质中的传播速度，m/ns。本次探测深度定为10 m，电磁波的传播速度0.08 m/ns，计算得走时窗口为162.5 ns，采用走时窗口大小为300 ns。

2应用实例

主要包括4个方面的内容：

2.1　工程概况

尚志市蚂蚁河有一条在用输水管线，由于年代久远，没有详细工程图纸，无法定位。为了防止在工程施工中对管线造成破坏，需要对该管线进行精确定位。通过已有资料得知，该管线管径约为0.5 m，最浅处埋深距地表2.0 m，最深处约3.0 m，需要探测管线长度约1.03 km。管线材料部分为金属、部分为非金属(混凝土)，未见出露部分，中间部分存在1~2个转折点。

2.2　工作布置

本次工作中，在甲方指定的范围内使用管线仪从管线金属端开始探测，管线仪能直接确定管线平面位置、走向，每探测10~20 m在地面上留标，每50 m布置地质雷达横测线，用于与管线仪器校对。在管线仪信号弱或者管线变为非金属时，在垂直管线方向用雷达进行布线探测，每20 m布置一条测线，测线长度视实际情况定为20~50 m，直至测区边界。

2.3　使用仪器及方法技术

本次使用仪器为北京奥华公司生产的奥华AP-1型管线仪和美国劳雷公司生产的Sir 10b型地质雷达。

当管线仪探测遇到管线异常时，屏幕上可见管线异常曲线，并伴有声音提示，当达到峰值时，管线仪位于管线正上方。电磁场梯度与埋深存在一定关系，管线埋深可以通过仪器直接测读。常用测读深度方法还有△Hx70%法，利用△Hx百分比与管线埋深具有一定的对应关系，通常用管线△Hx异常曲线上70%处两点之间的距离近似管线埋深，本文采用此方法测定管线深度[2]。

地质雷达采用100 MHz自发自收一体式天线，测点距采用20 cm，采用点测方式。采集到数据为地质雷达波形图，滤波高通、低通分别采用25 MHz、200 MHz，对其走时进行校正后，给定介电常数16，可以得到管线平面位置及深度位置。

2.4　资料解释

由于雷达波形剖面图较多，只选取部分有代表性剖面图进行解释说明。

如图3～图6所示，在4条测线中都发现了抛物线形异常，这是典型的管线异常反应。分别位于A测线7.0 m处，深度2.0 m；C测线14.5 m处，深度2.0 m；F测线5.3 m处，深度2.5 m；H测线7.0 m处，深度2.5 m。

图3　测线A地质雷达波形剖面图

图4　测线C地质雷达波形剖面图

图5　测线F地质雷达波形剖面图

图6　测线H地质雷达波形剖面图

结合管线仪资料，前几处异常皆能一一对应，在桩号0+480m后，管线仪信号消失。综合分析，该供水管线长1.03 km，大致走向为西北-东南向(具体位置由测量人员定位留标)，桩号0+000~0+480m为金属管，0+480~1+030m为非金属管，埋深2.0~2.5 m，在桩号0+426m处存在一处转折点。

3结论

管线仪能够快速有效的在现场对管线进行定位，但对于非金属管线无效且探测深度较浅。地质雷达能对多种材料进行探测，但是资料需要进行处理分析，耗时较长。通过两种方法结合，能进行优势互补，快速准确完成任务。

参考文献：

[1]王明德.地质雷达在管线探测中的应用[J].工程地球物理学报，2009(6)：65-69

[2]李大心.探地雷达应用与方法[M].北京：地质出版社，1994.

[作者简介]王强(1985-)，男，黑龙江绥滨人，工程师；王志浩(1983-)，男，河南鲁山人，工程师。

[收稿日期]2015-06-15

中图分类号：TU195；TU990.3

文献标识码：B

文章编号：1007-7596(2015)08-0095-03