林標(biāo)太

【摘要】隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)各地區(qū)的地下管線系統(tǒng)日益龐大，地下管線探測(cè)的受關(guān)注程度也不斷提升?；诖?，本文簡(jiǎn)單介紹常用物探技術(shù)，并探討綜合物探技術(shù)在地下管線探測(cè)中的具體應(yīng)用，供業(yè)內(nèi)人士參考。

【關(guān)鍵詞】綜合物探技術(shù);地下管線探測(cè);探地雷達(dá)【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

綜合物探技術(shù)能夠?qū)Φ叵鹿芫€分布情況開展探查及測(cè)繪，不同管線的埋設(shè)位置及深度可由此明確，這能夠?yàn)楦黝惞こ探ㄔO(shè)提供有力依據(jù)。為保證綜合物探技術(shù)的應(yīng)用取得預(yù)期效果，正是本文的研究目標(biāo)。

1、常用物探技術(shù)

1.1基于電磁感應(yīng)的物探技術(shù)的應(yīng)用

電磁感應(yīng)法的主要應(yīng)用原理為：充分利用礦石、巖石的導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性方面存在的差異，將之作為“物質(zhì)基礎(chǔ)”，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，通過多元方式（人工觀測(cè)或借助設(shè)備觀測(cè)），對(duì)天然形成或人工合成的電磁場(chǎng)的空間分布、時(shí)間或頻率變化的規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，最終根據(jù)對(duì)應(yīng)物質(zhì)的參數(shù)的差異，對(duì)探測(cè)區(qū)域地下土層的成分構(gòu)成進(jìn)行確定。具體而言：第一，眾所周知，金屬物質(zhì)的核心特性為“導(dǎo)電性”，但“導(dǎo)電”過程的實(shí)現(xiàn)必須建立在一定的前提條件之上。如導(dǎo)電的金屬管線周圍必須存在或強(qiáng)或弱的磁場(chǎng)，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，完成對(duì)該磁場(chǎng)對(duì)外發(fā)射信號(hào)的接收之后，可以判斷管線當(dāng)前存在的位置、埋深等。總體來說，此種方法是目前公認(rèn)的探測(cè)地下金屬管線最常見、最有效的方式。第二，基于電磁感應(yīng)的物探技術(shù)的適用范圍包含：具備一定導(dǎo)電性能的金屬管線（如現(xiàn)代生活中常見的電纜、光纜、鑄鐵給水管等，內(nèi)部均含有金屬材質(zhì)）。第三，為了在物探過程中更加清晰地找出目標(biāo)管線，需通過人工方法激發(fā)管線中的電流（管線的類型存在很大的差異，故針對(duì)不同類型的管線需采用不同的激發(fā)方式）。如針對(duì)管徑較大的金屬管進(jìn)行電流激發(fā)時(shí)，適合使用直連法，即借助導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)管線儀發(fā)射機(jī)和管道的直接連接，使具有一定頻率的電流能夠流經(jīng)管道。在此狀態(tài)下，探測(cè)人員可以對(duì)接收機(jī)接收管線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行有效利用，達(dá)到探測(cè)管線位置及埋深的目的。

1.2基于電測(cè)波的物探技術(shù)的應(yīng)用

但地下管線的制成材質(zhì)不可能全都是金屬，一些經(jīng)由化學(xué)工藝合成的塑料材質(zhì)同樣在地下管線中得到了廣泛應(yīng)用。為有效探測(cè)非金屬材質(zhì)制成的地下管線，最常用的物探方法為電磁波法。此種方法的原理實(shí)際上源于仿生學(xué)——蝙蝠通過向外發(fā)射超聲波，接觸物體后反饋相關(guān)信息，從而避開前方障礙物。但電磁波法與蝙蝠發(fā)出超聲波進(jìn)行探測(cè)的過程也存在一定的差異，即蝙蝠發(fā)出的超聲波僅僅是為了確定前方是否有障礙物，其發(fā)出的超聲波的作用較為單一，無(wú)法對(duì)觸碰到的障礙物的具體類型進(jìn)行分析。超聲波法在一定程度上具備“已知性”，即探測(cè)人員首先需要明確探測(cè)區(qū)域地下埋設(shè)的管線由何種材質(zhì)制成，當(dāng)電磁波與之發(fā)生“碰撞”之后，根據(jù)反饋得到的相關(guān)參數(shù)，通過查表對(duì)照的方式，首先能夠確認(rèn)電磁波觸碰到的地下管線是否為探測(cè)目標(biāo)，若答案是肯定的，則可進(jìn)一步對(duì)位置、埋深等情況進(jìn)行確定。此種方法的應(yīng)用原理為：①在地面選擇合適位置布置測(cè)線;②使用探地雷達(dá)，借助其發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，接收天線（接收管線）會(huì)對(duì)成功反射的電磁波進(jìn)行接收，并根據(jù)“時(shí)程關(guān)系”對(duì)管線位置、深度進(jìn)行分析。一般而言，測(cè)線布置需滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：測(cè)線與管道的走向之間應(yīng)符合“垂直”的關(guān)系，且不同測(cè)量點(diǎn)之間的最佳間距應(yīng)控制在0.05m。經(jīng)過采集的原始數(shù)據(jù)需依次經(jīng)過“一維濾波→靜校正→增益→二維濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換→圖像顯示”，最終得到相關(guān)結(jié)果。

1.3基于瞬變電磁的物探技術(shù)的應(yīng)用

一些地下管道常年所處的地下區(qū)域常年面臨較為復(fù)雜、臟亂的自然環(huán)境，導(dǎo)致管線內(nèi)可能含有大量雨水、污物。針對(duì)此類型的管線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，為保證探測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)程度，可易世勇基于瞬變電磁的物探技術(shù)。具體流程為：①在無(wú)需設(shè)置接地回線（即磁源）的情況下，首先向地下發(fā)送一次場(chǎng)（一次脈沖電磁場(chǎng)），目的在于：對(duì)地層介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，有助于順利感應(yīng)到二次電磁場(chǎng);②利用線圈完成對(duì)二次電磁場(chǎng)的接受感應(yīng)之后，圍繞響應(yīng)信息進(jìn)行分析，最終達(dá)到探測(cè)地下管線目標(biāo)的目的。

2、物探技術(shù)的具體應(yīng)用-以探地雷達(dá)為例

2.1探地雷達(dá)應(yīng)用方法

在基于探地雷達(dá)的地下管線探測(cè)中，需首先開展相關(guān)管線資料收集，以此初步判斷目標(biāo)管線位置，這一判斷結(jié)果用于測(cè)算布設(shè)，探地雷達(dá)用于探測(cè)各條測(cè)線數(shù)據(jù)，目標(biāo)管線的埋深和位置可基于得到的探測(cè)圖像進(jìn)行判斷。測(cè)線布設(shè)需保證目標(biāo)管線的可能走向與測(cè)線方向垂直，可能的目標(biāo)管線分布位置需要由測(cè)線長(zhǎng)度覆蓋，一般需要涉及兩側(cè)各2m范圍。選擇平坦地面作為測(cè)線位置，不得存在障礙物和金屬物，盡量選擇方磚及泥土地面，瀝青地面需要避開。一般需要開展多條測(cè)線布設(shè)，如目標(biāo)管線無(wú)法準(zhǔn)確判斷，綜合判斷需通過對(duì)多條鄰近測(cè)線的布置完成，具體如圖1所示。

以圖2所示的管線為例，拋物線最高點(diǎn)位置為目標(biāo)管線所處平面位置，由于地下管線探測(cè)目標(biāo)多為圓柱形管線，用于這類管線探測(cè)的探地雷達(dá)能夠得到拋物線形狀的電磁波回波信號(hào)，受離地面距離最近的管線中央位置影響，管線位置為該拋物線頂端所在處。拋物線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度能夠直觀展示地下管線埋深，結(jié)合圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該圖的縱軸為傳遞電磁波信號(hào)時(shí)間，管線準(zhǔn)確埋深需結(jié)合周圍土壤等介質(zhì)中電磁波的傳播速度確定，電能受到不均勻的土壤介質(zhì)影響，一般選擇對(duì)比測(cè)量法進(jìn)行埋深計(jì)算，計(jì)算公式為：

上式中的T、H、、分別為探地雷達(dá)圖像上目標(biāo)管線對(duì)應(yīng)傳播時(shí)間、目標(biāo)管線埋深、探地雷達(dá)圖像上已知管線傳播時(shí)間、已知管線埋深。

2.2實(shí)例分析

目標(biāo)管線所處土壤環(huán)境直接影響探地雷達(dá)影響效果，以某路段探地雷達(dá)的具體應(yīng)用為例，得到的探地雷達(dá)圖像存在顯著拋物線特征，管線位置得到明顯展示，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查和已有資料可以確定，圖像中的拋物線對(duì)應(yīng)中水管線，該管線為聚氯乙烯材質(zhì)。金屬探測(cè)儀無(wú)法完成地下聚氯乙烯材質(zhì)管線的探測(cè)，但探地雷達(dá)能夠較好完成該任務(wù)，準(zhǔn)確獲取管線埋深及位置，可見非金屬管線探測(cè)中探地雷達(dá)的應(yīng)用價(jià)值較高;以圖3所示的某夏季旱地中采集的探地雷達(dá)圖像為例，探測(cè)區(qū)域存在2m管徑、1.8m埋深的排污管線，但在多次重復(fù)探測(cè)中，正常工作的探地雷達(dá)未得到顯著回波信號(hào)，管線位置受此影響無(wú)法準(zhǔn)確判斷。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，之所以探地雷達(dá)的應(yīng)用未能取得預(yù)期效果，主要是由于旱地較為疏松且存在較高的土壤含水量，在較為明顯的電磁波吸收下，目標(biāo)管線反射信號(hào)無(wú)法由探地雷達(dá)天線獲取，目標(biāo)管線位置受此影響無(wú)法準(zhǔn)確判斷，因此必須重視土壤環(huán)境對(duì)地下管線探測(cè)帶來的影響。

圍繞上述探地雷達(dá)應(yīng)用的失敗案例進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，探地雷達(dá)的應(yīng)用效果直接受到土壤含水率影響，雨量較多的季節(jié)及較高的土壤含水率帶來的影響較為直接，探地雷達(dá)此時(shí)難以獲取有效信息。而在較為干燥的土壤中，由于吸收電磁波較少，探地雷達(dá)具備更優(yōu)秀應(yīng)用效果。在基于高頻電磁波的探測(cè)過程中，土壤等介質(zhì)的電導(dǎo)率與對(duì)電磁波的吸收系數(shù)成正比，具體表示為：

上式中的、、分別為對(duì)電磁波的吸收系數(shù)、電導(dǎo)率、介電常數(shù)，可見增大的電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)存在同步提升的對(duì)電磁波的吸收系數(shù)，全部被土壤吸收的電磁波會(huì)導(dǎo)致探地雷達(dá)無(wú)法取得預(yù)期應(yīng)用效果。圍繞土壤含水量與電導(dǎo)率的關(guān)系進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)增加的土壤含水量對(duì)應(yīng)存在同步增加的電導(dǎo)率，這正是土壤含水率較高會(huì)影響探地雷達(dá)應(yīng)用效果的原因所在。如土壤存在不變的電導(dǎo)率，存在較小介電常數(shù)時(shí)，土壤會(huì)大量吸收電磁波并影響探測(cè)效果，反之則能夠提升探測(cè)效果?？諝?、水、雜填土、瀝青、混凝土的介電常數(shù)分別為1、81、7～18、3～5、6.4，對(duì)應(yīng)波速分別為0.3、0.03、0.07～0.11、0.13～0.17、0.12，存在較小介電常數(shù)的瀝青能夠大量吸收電磁波，因此探地雷達(dá)應(yīng)用過程中的測(cè)線布設(shè)需要避開瀝青所在處，結(jié)合上述探地雷達(dá)應(yīng)用要點(diǎn)，即可保證該物探技術(shù)更好服務(wù)于地下管線探測(cè)，探地雷達(dá)與其他探測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用也需要得到重視。

結(jié)論：

綜上所述，綜合物探技術(shù)能夠較好用于地下管線探測(cè)。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的探地雷達(dá)應(yīng)用方法等內(nèi)容，則提供了可行性較高的物探技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好服務(wù)于地下管線探測(cè)，還需要關(guān)注各類新型物探技術(shù)的研發(fā)推廣，格雷互補(bǔ)碼雷達(dá)、采用混沌脈沖位置調(diào)制電路的探地雷達(dá)均應(yīng)成為研究熱點(diǎn)。

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