丁美青，張恩澤

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院, 安徽淮南232001）

地下管線物探測量方法研究

丁美青，張恩澤

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院, 安徽淮南232001）

隨著我國經(jīng)濟建設和改革開放的迅速發(fā)展，以及西氣東輸，南水北調等工程的開展，地下管線的種類和數(shù)量在不斷增加，由于許多工程項目必須在已知地下管線分布的情況下才能進行施工，所以對地下管線的探測工作逐漸被提上議程；從物探方法的原理入手，分析了國內外物探方法在地下管線探測中的應用，介紹了各種探測方法的原理和適用條件，指出在日后實際探測工作中，可根據(jù)地下管線與周圍巖土層的物性差異，選擇相應的探測方法，并提出了物探方法在探測地下管線中存在的問題和建議。

地下管線； 物探方法； 物性差異； 瞬變電磁法； 高密度電法； 探地雷達法; 淺層地震波法

1 引言

地下管線不僅是城市建設的一部分，也是城市賴以生存的“生命線”。隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，地下管線的種類和數(shù)量也在不斷增加，這條“生命線”也逐漸被提上議程[1]。由于歷史原因，國內許多城市地下管線分布模糊不清，管理系統(tǒng)不夠規(guī)范，存在嚴重的安全隱患，所以地下管線探測技術在城市地下管線管理中的地位尤為重要。地下管線探測技術就是對城市地下各種管線進行探查和測繪的交叉技術，由20世紀末期傳入我國，發(fā)展迅速，很快形成一股熱潮。發(fā)展至今，地下管線探測的理論和技術已經(jīng)相對成熟。

2 物探方法簡介

地下管線可大致分為三種，即金屬類管線、內層含金屬、外層為絕緣層的電纜類管線以及由水泥，塑料等構成的非金屬類管線。由于這些地下管線的密度、波阻抗值、導電性以及導磁性等與周圍巖土層存在明顯差異，這就為物探方法探測地下管線提供了理論基礎。因此，根據(jù)這些物性差異，可以選擇合適的物探方法對地下管線進行探測，提高工作效率。

2.1 瞬變電磁法

對于地面無明顯突出露點的金屬管線以及含有金屬，外表為絕緣層的電纜類管線，通常采用探測效果更為明顯的瞬變電磁法。瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電極（磁源）向地下空間發(fā)射脈沖式一次電磁場（一次場H1）。在一次場H1探測范圍內，若存在金屬類管線或管道，由于金屬表面存在自由電荷，在一次場H1的作用下將會形成電流，電流沿著金屬管線表面流動。根據(jù)電生磁原理，帶電管線周圍的空間將會產(chǎn)生圓形磁場（二次場H2）。于是在地面上用線圈或接地電極觀測二次場H2的空間和時間分布，從而來推測地下管線的位置和深度[2]。

瞬變電磁法探測過程是在所測管線走向垂直方向布置測線，發(fā)射回線和接收回線重疊布置。隨后沿測線方向，按一定距離移動（可根據(jù)實際管線復雜程度確定距離），采集一次數(shù)據(jù)。采集得到的數(shù)據(jù)通過“濾波→一維反演→時深轉換”處理流程[3]，得到測線成果圖。根據(jù)不同管線的物性差異，金屬類管線反映為低阻，非金屬類管線反映為高阻，從而推斷出地下管線的類型、埋深及位置。

該方法適用于金屬類管線或電纜類管線的探測，如自來水管或者含水管線、通信電纜等管線的探測工作。對其他類型的管線也有一定的效果，但是對地下管線深度，管徑等信息的探測存在明顯的缺陷。成果圖中的低電阻或高電阻也是一個相對概念，其范圍還需要根據(jù)已有的管線信息和人為經(jīng)驗來劃定。因此，瞬變電磁法得到的成果也存在相應的誤差。在實際探測工作中該方法通常和探地雷達法或高密度電法交叉使用，相互驗證。

2.2 高密度電法

城市地下管線除上述金屬類管線及電纜類管線外，還包括非金屬類管線，如給排水管道，混凝土管道等。此時，瞬變電磁法及相關電磁感應方法將很難發(fā)揮作用。所以對于這些非金屬類管線或管道的探測工作通常由探地雷達或高密度電法來完成。高密度電法是以目標管線與周圍巖土體導電性差異為基礎，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地下空間傳導電流分布規(guī)律的一種電探方法[4]。采用高密度電法來探測地下管線的埋深和位置，通常是把直流電流通過電極向地下空間供電，此時地下空間將形成一個穩(wěn)定的電流場，由于上述管線多為混凝土質，其電阻率遠遠高于周圍巖體或土體。通過研究土層（巖層）及管線所引起的電場變化，并對現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)進行處理得到地電斷面圖。除此之外，可根據(jù)電阻率的分布情況，可在高阻區(qū)中推斷低阻異常。相反，在低阻區(qū)中推斷出高阻異常，對有相同特征規(guī)律的若干地電斷面中的高阻區(qū)（或低阻區(qū)）連線即為管線的位置和深度[5-7]。

由于金屬管線及集束型通信光，電纜自身導電性特征與周圍巖土層接近，所以使用高密度電法得到的地電斷面很難分辨高低阻異常，探測效果不理想。而對于一些非金屬類管線（或表面含高絕緣材質的金屬管線），一般采用高密度電法。使用高密度電法探測地下管線時，電極布設一次完成而且可以自動采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，工作效率較高。采集得到的數(shù)據(jù)量較大，可以反映清晰的地電斷面。但是對于介質差異不明顯的地下空間，高密度電法的探測效果也不能滿足要求。

2.3 探地雷達法

在城市地下空間中，對于埋深較淺（埋深小于-2 m）的金屬管線或非金屬類管線，最常用的探測方法為探地雷達法。探地雷達法（又稱地質雷達法）工作時，在地面上布置測線。通過發(fā)射天線向地下空間發(fā)射高頻率電磁波，當高頻率電磁波在巖土層中遇到探測目標時，電磁波反射回地面，并被地面上的接收天線所接收。根據(jù)接收天線接收到的反射回波的時間和形式來確定管線的位置和埋深[8]。

探地雷達法在探測過程中，測線的布置尤為重要。通常測線與管道走向垂直布置，測點間距可根據(jù)地下空間復雜程度來確定。探測工作所得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過“一維濾波→靜校正→增益→二維濾波→時深轉換→圖像顯示”等處理流程，得到管線成果圖。高頻電磁波在地下介質中行程為：

（1）

（1）式中：t為電磁波在地下介質中行程時間（ns，ns=10-9）；z為目標管線埋深（m）;x為收、發(fā)測點間距（m）;v為電磁波在地下介質中的傳播速度（m/ns）。其中，電磁波波速v可由介質的相對介電常數(shù)εr確定：

（2）

（2）式中c為電磁波在真空中的傳播速度（0.3m/ns）。探地雷達法不僅適用于非金屬管線的探測，同樣也適用于金屬管線的探測，應用范圍十分廣泛。尤其對于非金屬管線的探測，探測剖面中有明顯的管線異常反映，探測效果良好。但是對于有些埋深較大的管線，該方法的探測效果往往達不到要求[9]。所以在實際探測工作中，應綜合考慮目標管線埋深以及目標管線與周圍巖土層的差異性，來確定探地雷達法是否作為主要方法還是輔助方法，以便更好的完成探測工作。

2.4 淺層地震波法

對于鋪設在水泥或者瀝青路面以下且埋深相對較大的地下管線，探地雷達法探測效果較差。此時，可用淺層地震波法來探測地下管線的位置和深度。淺層地震波法是利用地下巖土層的波阻抗值的差異，在地表以人工方法激發(fā)地震波，隨后地震波以應力波的形式向地下空間傳播，當遇到不同介質的波阻抗界面時（如地下金屬、非金屬管線與周圍巖土層的分界面），會產(chǎn)生反射，折射和透射[10]。這些地震波信號被布置在地面上的檢波器獲取，通過研究分析地震波攜帶的信息及傳播規(guī)律，對地震波記錄進行處理和解釋，可以推斷地下管線的位置及埋深。

淺層地震波法探測過程是在所測管線走向垂直方向布置測線，檢波器走向應與所測管線走向基本垂直。地震儀采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過“預處理→去噪→反濾波→速度分析→動校正→偏移疊加→時深轉換”處理流程，得到管線成果圖。

在淺層地震波法中，可根據(jù)利用地震波的不同分為反射波法、折射波法和瑞雷面波法。實際探測工作中，最常用的是反射波法和瑞雷面波法。反射波法是利用反射波作淺層地震時間剖面，可用于探測埋深和口徑較大的金屬或非金屬管線。瑞雷面波法則是利用地下管線與周圍巖土層的面波差異來定位地下管線。淺層地震波法適用于激振條件良好的硬質地面，可用于探測埋深較大的金屬及非金屬管線。相比其它方法，該方法抗干擾能力強，但缺點是探測成本較高，工作效率低。

3 探測工作的注意事項

物探方法介入地下管線的探測工作，因其探測成果的多解性、間接性、誤差性，往往需要綜合考慮各方面因素。在探測工作開始前，應對探測區(qū)域進行現(xiàn)場調查，了解探測區(qū)地質構造以及目標管線與周圍巖土層的物性差異，選用合適的物探方法進行探測。并在此基礎上進行預試驗，確定該物探方法的探測效果和精度以及在探測區(qū)域附近無管線區(qū)測取背景數(shù)據(jù)。在探測過程中，應嚴格遵循“先已知后未知、先簡單后復雜、探測方法有效、快速、輕便和復雜條件下宜采用綜合方法進行探測”的原則，并合理和正確的布置測線，做到不誤測，不漏測。在探測工作結束后，對于噪聲較大的數(shù)據(jù)往往引入數(shù)學方法進行消噪處理，如應用小波變換法和模擬退火法對數(shù)據(jù)進行預處理[11]。

4 工程實際應用

測區(qū)位于某廠區(qū)兩廠房之間，基底坳陷，第四系覆蓋層厚度約20m，地勢平坦，整體趨勢是自西向東方向緩傾。表層為人工填筑混凝土，底部依次為褐色素填土，青灰色淤泥質粉質粘土及灰黃色可塑-硬塑狀粘土，地下水埋深較深。測區(qū)內南北方向上鋪設有三處混凝土質給排水管道，現(xiàn)應用高密度電法和瞬變電磁法對地下管道進行定位探查。兩種探測方法測線均垂直管道方向布設，測線分別長45m和40m，均對原始數(shù)據(jù)進行反演視電阻率斷面，所得測線成果圖如圖1，2所示。

圖1為高密度電法反演所得到的測線成果圖，通過分析，測線方向5m、10m、20m及30m，埋深-3m～ -5m處圈定高阻異常區(qū)。根據(jù)市政管線資料，測區(qū)地下-3m～ -4m處鋪設直徑約0.5m的混凝土給排水管道，圈定的高阻異常區(qū)與管道布設位置基本一致。圖2為瞬變電磁法反演所得測線成果圖，測線方向9m、20m、30m，埋深-3m～ -5m處圈定低阻異常區(qū)。由于混凝土管道中含有鋼筋框架，故管道呈現(xiàn)低阻異常，與市政管線資料基本吻合。兩種探測方法交叉驗證，滿足探查要求。

圖1 高密度電法測線成果圖

圖2 瞬變電磁法測線成果圖

4 結論

根據(jù)地下管線與周圍巖土層的物性差異以及管線材質，可以選擇合適的地球物理勘探方法進行探測，以提高工作效率，節(jié)約工程成本?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)應盡可能消除噪聲的干擾，提高數(shù)據(jù)的信噪比。室內處理數(shù)據(jù)時可引入數(shù)學方法進行消噪。例如在利用淺層地震波法探測地下管線時，可以引入小波變換進行消噪處理，提高探測的精度。

對于地質條件復雜，物性差異不明顯的地區(qū)，可交叉使用多種地球物理勘探方法進行地下管線探測，相互驗證，確保探測的準確性。

進行城市地下管線探測工作時，應嚴格按照《城市地下管線探測技術規(guī)程》及《城市工程地球物理探測規(guī)范》等規(guī)范開展工作，真正做到合理、合規(guī)、合法。

[1] 鄒延延.地下管線探測技術綜述[J].勘探地球物理進展,2006,29（1）:14-20.

[2] 侯偉清,葉英.瞬變電磁雷達在城市地下管線探測中的應用[C].中國地球科學聯(lián)合學術年會, 2014.

[3] 盧海,劉建威.綜合物探技術在地下管線探測中的應用[J].現(xiàn)代測繪,2015,38（1）:44-46.

[4] 劉國興.電法勘探與方法[M].北京：地質出版社,2005.

[5] 劉曉東,張虎生,朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應用[J].工程勘察,2001（4）:64-66.

[6] 何偉,于鵬,張羅磊,等.高密度電法在探測地下金屬與非金屬組合管線中的應用[J].工程地球物理學報,2008, 5（1）:95-98.

[7] 李樹瓊,蔣叢林,馬志斌.高密度電法在巖溶地區(qū)勘查中的應用[J].礦物學報,2013,33（4）:540-544.

[8] 王新靜,趙艷玲,胡振琪,等.不同水分條件下探地雷達電磁波波速估算方法與對比分析[J].煤炭學報,2013,38（z1）:174-179.

[9] 王勇.城市地下管線探測技術方法研究與應用[D].吉林大學,2012.

[10]肖順,張永命,劉天華.地震映像法在探測超深超大管道中的應用[J].測繪通報,2013（S2）:246-247.

[11]郭剛明,時立彩,高生軍,等.小波變換在地震資料處理中的應用效果分析[J].石油物探,2003,42（2）:237-239.

2016-12-08

丁美青（1993-），安徽霍邱人，碩士研究生，研究方向為工程與環(huán)境地球物理勘探，電話：18855480525。

P631

B

1671-4733（2017）01-0001-003

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.001