曹震峰

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州510060)

一、引 言

城市地下管線在每個(gè)現(xiàn)代城市都扮演著極其重要的角色，是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。管線竣工測(cè)量系指城市規(guī)劃部門對(duì)批準(zhǔn)新建(擴(kuò)建或改建)的各類市政管線在施工過程中，由測(cè)繪單位根據(jù)管線規(guī)劃設(shè)計(jì)、審批的相關(guān)要求及規(guī)劃條件進(jìn)行管線工程的相關(guān)測(cè)量活動(dòng)?？⒐を?yàn)收測(cè)量的成果數(shù)據(jù)將作為地下管線的不動(dòng)產(chǎn)登記的主要依據(jù)，同時(shí)也是管線工程規(guī)劃驗(yàn)收和管線信息動(dòng)態(tài)管理的基礎(chǔ)。

超高壓燃?xì)夤艿?一般指壓力＞4 MPa)是城市能源供給的大動(dòng)脈，它與城市的工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和人民生活息息相關(guān)，直接關(guān)系到城市安全及社會(huì)穩(wěn)定，也是城市重要地下管線管理對(duì)象之一。

該管道竣工測(cè)量另一個(gè)的特點(diǎn)是管線鋪設(shè)多采取分段施工，工期較長(zhǎng)，施工受征地、拆遷和開挖等因素影響較大，覆土前不易跟蹤測(cè)量，不少管段還采用非開挖穿越方式鋪設(shè)等。這些因素增加了超高壓燃?xì)夤艿捞綔y(cè)的難度，也對(duì)竣工測(cè)量提出了新的技術(shù)要求。

二、探測(cè)方法技術(shù)及措施

1．電磁法探測(cè)

高壓燃?xì)夤艿赖牟馁|(zhì)一般為鋼，具有良好的導(dǎo)電性，管道外壁均有絕緣的外防腐層保護(hù)，與周圍土壤等介質(zhì)有明顯的物性差異，也為使用電磁法的管線儀探測(cè)管線位置及埋深提供了良好的物理前提。所以，電磁法探測(cè)仍然是該管道竣工測(cè)量的主要方法。

從地下管線的探測(cè)方法原理上講，當(dāng)忽略地介質(zhì)和空氣的變化影響時(shí)，若導(dǎo)線直徑遠(yuǎn)小于埋深，則管道可視為均勻介質(zhì)中的一條無限長(zhǎng)直導(dǎo)線。當(dāng)將交變電流I0e－iωt加載到管道上時(shí)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，其總電磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布規(guī)律符合下面公式

式中，H為磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度;I0為導(dǎo)線中的電流幅值;r為距離導(dǎo)線中心的垂直距離。

磁場(chǎng)的水平分量Hx和垂直分量Hz分別為

式中，h為導(dǎo)線的埋深;x為觀測(cè)點(diǎn)到導(dǎo)線在地面投影的垂直距離。

通常情況下以觀測(cè)Hx或ΔHx(峰值法)進(jìn)行管線的探測(cè)定位，ΔHx、ΔHz曲線形態(tài)見圖1。

圖1 管道的電磁場(chǎng)異常ΔHx、ΔHz曲線圖

在低頻電磁法的工作頻率范圍內(nèi)，電磁場(chǎng)的衰減系數(shù)b可用公式描述

式中，ω為工作頻率;μ為磁導(dǎo)率;δ為電導(dǎo)率。

由此可見，電磁場(chǎng)的衰減，在其周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率一定時(shí)，其衰減系數(shù)與頻率的平方根成正比。也就是說，管線儀的工作頻率越高，電磁場(chǎng)的衰減就越快，傳播距離越短，反之則衰減慢，傳播距離較遠(yuǎn)。

2．探測(cè)方式及參數(shù)的選擇

有兩種方式向管道施加信號(hào)，一種是通過電導(dǎo)體連接直接把信號(hào)施加在管道上(直連法)，即發(fā)射機(jī)將信號(hào)電流直接加載在管道上而產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)(一次場(chǎng))信號(hào)，通過接收機(jī)探測(cè)一次場(chǎng)的分布來確定管道的位置和埋深。該方法的優(yōu)點(diǎn)是信噪比高、不易受臨近管線干擾，探測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確;局限是探測(cè)時(shí)需要有檢測(cè)樁或管道裸露點(diǎn)來施加信號(hào)。

另一種是通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個(gè)交流電磁場(chǎng)，以感應(yīng)的方式在管道上產(chǎn)生交變電流，感應(yīng)電流會(huì)再以管道為中心形成另一個(gè)電磁場(chǎng)(二次場(chǎng))。通過接收機(jī)探測(cè)二次場(chǎng)的異常分布來確定管道的空間位置(感應(yīng)法)。它優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)便、無需有管道的裸露點(diǎn)，缺點(diǎn)是感應(yīng)信號(hào)相對(duì)弱、易受干擾，特別是當(dāng)管道附近有其他淺表金屬管線時(shí)，易被干擾而造成探測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。

管線的定位方式有峰值法和谷值法兩種，工作中一般采用峰值法定位和測(cè)深。

管線探測(cè)工作模式建議以直連法為主，感應(yīng)法為輔。首先，利用高壓燃?xì)夤艿赖年帢O保護(hù)(或犧牲陽極)檢測(cè)樁，采用直連法探測(cè);在受現(xiàn)場(chǎng)條件限制無法用直連法探測(cè)的區(qū)域，再采用感應(yīng)法探測(cè)。但放置發(fā)射機(jī)宜避開或垂直非目標(biāo)管線，以減少非目標(biāo)管線的影響。

埋深宜在相對(duì)直線段進(jìn)行，采用70%法正、反向測(cè)定，當(dāng)其互差符合規(guī)定時(shí)，取兩次測(cè)定的平均值為管線中心埋深。

對(duì)于工作參數(shù)的選擇，從上述公式可以看出，管道在地面產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)大小與流經(jīng)管道的信號(hào)電流強(qiáng)度(I0)成正比，與該點(diǎn)距離管道的距離(r)成反比，影響探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度的主要因素就是信號(hào)電流大小和探測(cè)點(diǎn)到管道的距離。當(dāng)探測(cè)方法確定之后，管道中信號(hào)電流強(qiáng)度大小的主要取決管道和大地之間構(gòu)成的回路電阻了，若回路電阻越大則信號(hào)越弱，反之就越強(qiáng);而工作頻率的高低則主要影響管線信號(hào)的衰減速度和傳播距離。所以，探測(cè)效果與回路電阻、工作頻率、接地方式之間密切相關(guān)，選擇恰當(dāng)?shù)奶綔y(cè)方式和工作參數(shù)組合可增加信噪比，提高探測(cè)精度，減少錯(cuò)誤。

根據(jù)上面的公式(4)可知，使用低頻探測(cè)，可有效降低圍巖和導(dǎo)電覆蓋層的影響，突出地下管線的異常，信號(hào)衰減得較慢，可將信號(hào)傳播更遠(yuǎn)，保證電磁波信號(hào)具有足夠強(qiáng)度，有利于追蹤長(zhǎng)距離或深埋管線。在外界無強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的地區(qū)，宜使用低于8 Kz的工作頻率。具體頻率，可通過試驗(yàn)確定。在廣州及珠三角地區(qū)，對(duì)于管線儀而言，直連法一般采用640 Hz會(huì)有較好的探測(cè)效果。

當(dāng)使用感應(yīng)法探測(cè)管道時(shí)，工作頻率可選擇8 Kz或33 Kz。過高的頻率會(huì)加速電磁場(chǎng)的衰減，不但縮短單次探測(cè)的有效長(zhǎng)度，若高壓管道周圍有其他金屬管線存在時(shí)，還容易干擾探測(cè)結(jié)果。

電磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度與電流I成正比，在埋深、接地電阻一定的情況下，加大發(fā)射功率能增大電流。由于高壓管道的探測(cè)距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將施加的信號(hào)的功率保持在可滿足探測(cè)信號(hào)需要的最低水平。采取直連法時(shí)，調(diào)節(jié)輸出功率到能觀察到管線的清晰信號(hào)為準(zhǔn)，必要時(shí)增大供電電流(一般至少要100 mA以上)，以提高信噪比，保證探測(cè)效果。

當(dāng)使用感應(yīng)法探測(cè)管道時(shí)，輸出功率根據(jù)需要在50%～100%之間調(diào)節(jié)。

3．電磁法的其他技術(shù)措施

(1)接線端與接地端的處理

直連法的接地端應(yīng)采用遠(yuǎn)端接地方式，尤其是對(duì)于大埋深的管道。將長(zhǎng)導(dǎo)線(＞50 m為宜)沿垂直管線走向的方向與接地電極(棒)連接，為改善接地電阻可使用多電極或長(zhǎng)接地棒。其目的是增大信號(hào)沿管道傳輸?shù)木嚯x，并使地下高壓燃?xì)夤艿纼?nèi)形成的一次電流相對(duì)較大，形成較強(qiáng)的管線異常。

探測(cè)時(shí)，一般選擇檢測(cè)樁為加載信號(hào)的接線端，而檢測(cè)樁的管道端線頭通常是與犧牲陽極(或陰極保護(hù))端線頭連接的，如直接將發(fā)射機(jī)的輸出端夾在接線端上，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)的電流信號(hào)直接通過犧牲陽極端線頭短路到地。這樣會(huì)極大地減弱管道上的電流信號(hào)，同時(shí)容易將發(fā)射信號(hào)擴(kuò)散到其他非目標(biāo)管線上去，甚至造成非目標(biāo)管線的異常反而比目標(biāo)管線還要強(qiáng)的錯(cuò)誤信息。

正確的做法是將接線盒端頭臨時(shí)分開，將發(fā)射機(jī)的輸出端夾在管道端線頭上。接線盒的處理需要特別注意的是工作前一定要征得權(quán)屬單位的同意及配合，探測(cè)完畢后一定要恢復(fù)接線盒的連線。

(2)其他管線干擾的識(shí)別

當(dāng)高壓管道周圍有其他金屬管線存在時(shí)，將對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。非目標(biāo)金屬管線的位置和埋深不同，其影響也不一樣，以下用幾個(gè)實(shí)際案例分析探討。

其一是一條中壓燃?xì)夤艿琅c超高壓燃?xì)夤艿榔叫新裨O(shè)的情況。這兩條管線的間距和埋深均為1 m，兩條管道的材質(zhì)均為鋼。當(dāng)發(fā)射機(jī)靠近非目標(biāo)管道(中壓管)放置時(shí)，其上面的感應(yīng)電流要比目標(biāo)管道(高壓管)上的大很多，那非目標(biāo)管道的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)信號(hào)就會(huì)掩蓋目標(biāo)管道的電磁場(chǎng)，使儀器無法找到高壓管道的定位信號(hào)(異常)峰值點(diǎn)。這種情況下，發(fā)射機(jī)的放置就顯得重要了，第一是將發(fā)射機(jī)放在目標(biāo)管道一側(cè)上，第二是選擇與非目標(biāo)管線垂直的目標(biāo)管線走向上施加發(fā)射信號(hào)，或采用壓線法來抑制非目標(biāo)管線的信號(hào)。

第二個(gè)案例是其他金屬管線埋深比超高壓管道淺或者在其上方的情況。由于非目標(biāo)管線距離地面近，感應(yīng)法的電流大，產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)比管道強(qiáng)很多，就掩蓋了超高壓管道的二次電磁場(chǎng)信號(hào)，導(dǎo)致無法探測(cè)到目標(biāo)管道的異常峰值點(diǎn)。對(duì)于這種情況宜采用較低頻率的直連法探測(cè)方式加以區(qū)分。

在實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，不論是感應(yīng)法還是直連法，當(dāng)工作頻率較高(65 KHz以上)時(shí)，發(fā)射機(jī)的電磁信號(hào)極易感應(yīng)到鄰近的其他金屬管線上，造成淺表的非目標(biāo)管線的電磁場(chǎng)信號(hào)大于目標(biāo)管道的信號(hào)，而造成錯(cuò)誤的探測(cè)結(jié)果，故儀器不宜使用太高的工作頻率。

三、其他探測(cè)方法

除電磁法探測(cè)外，還有以下幾種方法可以使用，但是需要有一定的使用條件限制。

1．磁梯度法

井中磁梯度探測(cè)是一種精度較高的探測(cè)方式或驗(yàn)證手段，它還可通過比較磁梯度和電磁法探測(cè)的結(jié)果，評(píng)價(jià)相關(guān)探測(cè)方法的有效和準(zhǔn)確性。

該方法是基于管道材料屬于強(qiáng)鐵磁性物質(zhì)，在其周圍可產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)。野外作業(yè)時(shí)，在根據(jù)電磁法探測(cè)定位出的地下管線旁側(cè)鉆孔(深度要超過管道埋深，平面距離為1～2 m)，成孔后將塑料套管下入孔中，將儀器探頭放到鉆孔內(nèi)，從孔底部開始以0．2 m的點(diǎn)距往上測(cè)量各點(diǎn)的磁梯度值，并逐孔完成觀測(cè)。根據(jù)磁梯度值的變化情況即可準(zhǔn)確地確定地下管線的埋深和位置。該方法的局限性是在探測(cè)之前需要在管道的兩側(cè)布設(shè)可投放磁力儀探頭的鉆孔和塑料套管。

2．陀螺儀定位法

慣性陀螺定位儀三維定位技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)管線測(cè)量新技術(shù)。它結(jié)合了陀螺儀定向、慣性導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)三維計(jì)算等技術(shù)，拖曳慣性陀螺定位儀穿行于待測(cè)管線，自動(dòng)追蹤記錄其在管線內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，生成管道中心軸線的三維坐標(biāo)與位置圖。該方法的特點(diǎn)是測(cè)量時(shí)受管線材質(zhì)、管線埋深、周圍環(huán)境和地質(zhì)影響較小，但需要將慣性陀螺定位儀的探頭往返穿行于待測(cè)管道中，即可實(shí)現(xiàn)高精確度的管線測(cè)量。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是陀螺儀確定系統(tǒng)瞬時(shí)方向，加速度計(jì)確定系統(tǒng)瞬時(shí)前進(jìn)方向加速度值，由此可求得定位系統(tǒng)的瞬時(shí)加速度向量α，再將α分解到慣性坐標(biāo)系X、Y、Z三軸上可得各自的加速度分量。分別積分并與X、Y、Z三方向上的初始速度Vx0、Vy0、Vz0相加即可得到定位系統(tǒng)的當(dāng)前速度分量Vx、Vy、Vz。再將Vx、Vy、Vz進(jìn)行積分計(jì)算，與初始坐標(biāo)相加即可得定位系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)位置。電子單元不斷記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至計(jì)算主機(jī)，根據(jù)起終點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算管道中心的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。其測(cè)量精度可達(dá)到長(zhǎng)度的0．1%。但該方法僅適合與管道鋪設(shè)施工同期進(jìn)行。

圖2 慣性陀螺定位儀結(jié)構(gòu)

四、工作流程

根據(jù)超高壓燃?xì)夤艿揽⒐y(cè)量的特點(diǎn)，在總結(jié)該類工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出竣工驗(yàn)收測(cè)量工作流程如圖3所示。

五、結(jié)束語

超高壓燃?xì)夤艿揽⒐y(cè)量具有其項(xiàng)目的特殊性，首先是管道鋪設(shè)施工周期長(zhǎng)，目標(biāo)管線明顯點(diǎn)較少，部分區(qū)域與其他管線鄰近、交叉，空中電線、電纜易形成干擾電磁場(chǎng)等，使得管線信號(hào)不穩(wěn)定，異常不明顯，容易形成管線探測(cè)的疑難點(diǎn)，這些都是管線竣工測(cè)量需要面對(duì)的難題。對(duì)于開挖施工的管道，可在未覆土前跟蹤測(cè)量，直接測(cè)出管頂坐標(biāo)和高程。

該類管道的另一個(gè)特點(diǎn)是多處采用非開挖鋪設(shè)技術(shù)，用于穿越鐵路、高速公路、路口、河流、廠區(qū)、山區(qū)等。由于高壓燃?xì)夤艿酪话阍诔鞘械耐鈬佋O(shè)，而竣工測(cè)量的管線和地形呈帶狀分布，沿途一般缺少或沒有測(cè)量控制點(diǎn)，宜優(yōu)先采用GNSS測(cè)量技術(shù)，以提高工作效率和測(cè)量精度。

圖3 工作流程

［1］ 周鳳林，洪立波．城市地下管線探測(cè)技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)建設(shè)工業(yè)出版社，1998．

［2］ 區(qū)福邦．城市地下管線普查技術(shù)研究與應(yīng)用［M］．南京:東南大學(xué)出版社，1998．

［3］ 曹震峰．感應(yīng)式電磁法在地下管網(wǎng)探測(cè)中的應(yīng)用［J］．中南冶金地質(zhì)，1992(2):69-73．

［4］ 張漢春，莫國(guó)軍．特深地下管線的電磁場(chǎng)特征分析及探測(cè)研究［J］．地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21(4):1314-1322．

［5］ 任秀艷，杜曉娟，孫瑞雪，等．地面磁梯度測(cè)量在勘查地下污水管道中的應(yīng)用［J］．世界地質(zhì)，2014，33(3):659-665．

［6］ 任廣振，羅進(jìn)圣，胡偉．慣性陀螺儀定位三維測(cè)量技術(shù)在非開挖電力管線探測(cè)中的應(yīng)用［J］．浙江電力，2014(7):32-36．