综合管线探测技术在城市管线探测中的应用

王 健，江怡芳，朱能发，潘喜峰

(1．天津市勘察院，天津300191;2．天津市星际空间地理信息工程有限公司，天津300191)

地下管线是城市基础设施的关键组成部分，随着国民经济持续快速发展和城市基础建设的日新月异，城市地下管线的分布日趋密集和错综复杂。城市建设施工时，经常遇到由于不能确定地下管线的走向和深度而挖断供水、供气、输油管线和电缆、光缆的情况，给生产和生活造成巨大损失和不便。为维护城市生命线正常运行和可持续发展，从现代城市管理的需要出发，一个能快速提供真实准确的地下管网数据，并能实现快速查询、综合分析等功能，为城市运行和决策部门的日常管理、设计施工、分析统计、发展预测、规划决策等提供多层次、多功能、各种综合服务的地下管网信息系统，已经成为城市发展的迫切需要，而管线数据的准确性、真实性更是这个系统的重中之重。因此，在地下管网探测时，应选择合理的技术，进行科学探测，切实保证探测的效果。

一、城市管线简介

地下管线是指埋设于地下(水下)的各种管(沟、巷)道和电缆的总称。地下管线的种类较多，埋设方法与工艺方法不尽相同。根据地下管线的用途或性质不同，可以分为以下几种:给水、排水、燃气、电力、电信电(光)缆、供热、人防通道、工业管道。按照材质的不同，又可分为由铸铁、钢材等金属材料构成的金属管道;由铜、铝等金属材料构成的金属电缆;由光纤材料构成的非金属线缆;由陶瓷、水泥、塑料非金属材料组成的非金属管道;由钢筋作为骨料构成的水泥管、墙体。

根据埋设方式不同，可分为以下几种:架空敷设、直埋敷设、地下管沟敷设、共同沟敷设、非开挖敷设。非开挖技术又称水平定向钻探技术(horizontal directional drilling)，即非开挖敷设地下管线施工技术。它是传统管线施工技术的一次革命，经济、环保、安全，它不破坏环境、不阻断交通、不扰民，不破坏已有建筑物或构筑物，具有较高的文明程度。地下管线非开挖方式敷设一般分顶管施工和定向钻穿越两种，埋深一般在几米至十几米之间，有的甚至达几十米。

二、城市管线探测的任务

管线探测目的是查明各种管线的敷设状况、投影位置和埋深、管线类别、材质、管径规格、载体性质、电压(压力)值、电缆条数、管块孔数、权属单位、附属设施等。它包括管线探查和管线点测量，管线点包括明显管线点(实地可直接定位的点)和隐蔽管线点(实地看不见的管线点，也就是必须通过探测或其他方法定位的点)，并最终生成综合管网图及数据库。

三、综合管线探测技术

鉴于地下管线埋设方式及材质的多样性，单一的物探方法有一定的局限性，不能满足管线探测要求。综合管线探测技术是指在城市管线探测中针对某一工程采用多种探测手段相结合的方法，探测清楚该工程区域内所有地下管线。根据地下管线的不同埋设方式及不同材质，主要应用以下几种管线探测方法。

1．电磁法

1)工作原理:电磁法即常规物探仪探测方法，是探查地下管线的主要方法，是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性前提，通过发射机在发射线圈中提供的谐变电流(一次电流)在地下建立谐变磁场(一次场)，地下管线在谐变磁场的激励下形成二次电流，然后通过接收机的接收线圈来测定二次电流所产生的谐变磁场(二次场)来推测地下管线的存在和具体位置。当地下管线与周围介质之间电性差异明显且管线长度远大于管线埋深时，探测效果明显。

2)可解决的管线定位问题:其主要探测目标为埋深小于3 m的金属管线和电缆，对有出入口的非金属管道(如排水管)配合可进入管道内的示踪器，也可以进行探测。

3)应用电磁法探测地下管线常用的工具为管线探测仪，方法有:直接法、夹钳法、感应法和示踪法。

4)精度分析:平面位置0．1 h，埋深采用70%法0．15 h。

2．导向仪法

1)工作原理:将带场源的防水探棒(磁偶极子)置于所需探测的管道内，在其周围空间产生一次交变磁场，由地面上的接收机接收探棒产生的磁场水平分量，进而确定待测管道的空间位置。

2)可解决的管线定位问题:可解决有空孔的一束非金属管线的空间定位问题。

3)探测条件:对套管及排管敷设的深埋线类管线要有预留孔，对拉管施工的管线需挖出拉管部分的一侧端点，保证管内没有异物，导向仪探棒能顺利通过。

4)精度分析:如无明显干扰精度可达0．15 h，干扰较大时应与其他探测手段互相校核。

3．陀螺仪管道测绘方法

1)工作原理:陀螺仪管道测绘系统又称惯性导航系统(inertial navigation system，INS)，是一种推算式的导航方式。通过惯性传感器不断对载体运动产生的惯性数据进行测量，实现对载体任意时刻位置和姿态的计算。陀螺仪用来感应机体相对于绝对静止坐标系的角速度或角度变化，通过反馈或计算机的运算，加速度计所测量的加速度信息就可以在相对于惯性坐标系没有角度偏转的情况下，实现载体相对于惯性坐标系加速度的测量。然后将导航坐标系下测得加速度信息经过运算、解算得到地速信息，地速信息再次运算可以得到地面上的位移变化。

2)可解决的管线定位问题:可解决孔径大于90 mm两端开口的各类管线定位问题，不受地形限制和埋深限制。

3)探测要求:需管道两端均为开口，且管内无杂物，管径不能小于90 mm。

4)精度分析:采用陀仪管道测绘系统的探测误差与被测管道的长度成正比，管道越长，误差越大，大约是管道长度的0．2%，其误差的最大点在被测管道的中部，不受外界环境干扰。

4．孔中磁梯度探测方法

1)方法原理:孔中磁梯度探测技术是通过勘测地磁异常来实现对铁磁性管道定位。磁梯度法通过探测的铁磁性管线在周围区域磁异常的变化，分析判断管线的平面位置及埋深。通过钻孔的手段将磁梯度仪下到钻孔内，自上而下测量铁磁物质在垂直方向上的磁异常曲线变化，为了验证数据的准确性，需重复测量一次，观察其重复性，这样可以得到较理想的探测效果。

2)可解决的管线定位问题:可解决深埋金属管线或含钢筋的砼管线的空间定位问题。

3)探测条件:对采用孔中磁梯度法探测的施工现场，首先了解目标管线大致位置及埋深，被目标管线上方必须具备钻机就位条件，每个钻孔的工作面为3 m×3 m工作平台，上小型钻机就位即可。

4)精度分析:孔中磁梯度探测技术的探测误差与被探测管道的深度无关，其平面位置误差与钻孔的孔间距有关，一般情况下，最小孔间距是2．0 m时，平面位置误差小于1．0 m，深度误差一般小于0．5 m。

5．地质雷达法

1)工作原理:探地雷达(ground pentrating/probing radar，GPR)，是通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析，查明介质、结构、属性、几何形态及空间分布特征。它由地面上的发射天线T将高频电磁波(主频为106～109 Hz)以宽频脉冲形式送入地下，经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面，被另一接收天线R所接收，而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播，在更深的界面上继续反射和透射，直至电磁能量被地下介质全部吸收，电磁波在地下介质传播过程中遇到与周围介质电性不同的管线界面时产生反射并被接收天线记录下来，显示在屏幕上形成一道雷达记录。当天线沿测线方向逐点移动探查时，各道记录按测点顺序排列在一起，形成一张探查雷达图像，通过分析雷达剖面图像中各反射波强度、波形特征及到达时间，可推断地下管线的分布状况。

2)可解决的管线定位问题:可解决深埋深度大的金属管线或含钢筋的砼管线及大管径非金属管线的空间定位问题。

3)探测条件:为更好地实施探地雷达探测工作，在布置探地雷达测线前，应通过收集资料和现场踏勘尽可能详细了解探测目标管线的管径、材质及埋设情况;通过已探查的明显管线点、分支管线了解目标管线的大致走向、位置和埋深。

四、工程案例

探测对象位于天津中心渔港商务区，中央大道与汉蔡路交口，紧邻沿海高速，地形平缓、交通便利。

1．目的与任务

本次管线探测工作的目的是配合此处电力顶管穿越施工，探测测区内所有管线的平面位置及埋深。据调查得知此处存在多条燃气管线、自来水管线、通信管线、电力管线、路灯及信号灯等管线，埋设方式有拉管、直埋，材质有钢、球墨铸铁、铜、光纤、PE等材质，管径有DN400、DN600、DN1000等，深度及平面位置不详。考虑到施工安全，需要采用综合物探方法探测施工区域内管线，为其顶管施工提供科学依据。

2．工作方法应用

经现场探测及调查，本测区存在15处拉管施工管线:包括供电4处，如图1中(1)(2)(3)(8)所示;天然气2处，如图1中(4)(5)所示;路灯4处，如图1中(6)(7)(9)(13)所示;电信5处，如图1中(10)(11)(12)(14)(15)所示。其余均为直埋管线。

图1

1)对直埋的金属管道采用常规物探手段(RD8000管线探测仪)探测其平面位置及埋深，如常规直埋敷设的自来水、燃气、电信、电力、路灯、信号灯等管线。

2)对电信及信号灯等深埋线类管线，图1中(6)(7)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)处采用导向仪探测其平面位置及埋深，探测结果以(12)为例，成果见表1。

表1

3)对拉管施工的电力管线，图1中(1)(2)(3)(8)先用常规探测方法找到拉管大致起始位置，通过开挖，将两端管口露出，然后采用陀螺仪管道测绘系统及导向仪来确定其平面位置及埋深，实测过程中两种方法互相校准。探测结果以(2)为例，成果见表2。

4)横穿汉蔡路两根高压燃气管道，图1中(4)(5)，是深埋钢质管道，先采用RD8000地下管线探测仪探测其粗略位置，再采用CCT-4型磁梯度仪结合100型钻机采用孔中磁梯度法和逐渐逼近管线钻孔的方法各确定3个点的准确埋深，根据该埋深再调整管线仪的探测结果，最终确定管线的平面位置和埋深。探测结果以(4)为例，成果见表3。

3．探测精度分析

本工程探测精度对常规敷设管线，其精度参照专业相关规程。对于深埋管线(拉管或顶管施工管线)精度参考如下:

1)当管线分布稀疏，管道之间的平面投影间距＞1．5 m或竖向间距＞2．5 m时，可以达到理想效果如下:通过综合物探方法，探测点的精度可以实现平面位置偏差≤1．0 m，埋深偏差≤1．0 m。

2)当管线分布密集，管道之间的平面投影间距＜1．5 m或竖向间距＜2．5 m时，可能无法准确对每根管定位，结果以“管线组”为单位确定其整体平面位置及埋深。

表2

表3

4．成 果

本次管线探测工程采用了综合物探技术，包括常规物探手段、导向仪物探方法、陀螺仪管道测绘系统、孔中磁梯度法，并采用GPS卫星定位测量等技术，测量手段先进，测量精度较高，成果理想。经多次分析本次探测数据，得出如下结论:

1)本工程区域内存在多处拉管施工管线，对具备探测条件的管线已进行反复探测，数据理想，无异常情况;通过对所获取的数据进行综合分析，认为此次测量数据符合各项技术指标要求，可作为管线测量成果提交委托方。

2)提供的成果包括管线图和数据库两部分，图上扯旗仅作为参考，准确的探测成果必须以管线测量成果表作为依据。

3)为保证安全利用地下空间，此区域有施工作业时需避开管线两侧至少1 m。

4)综合管线图经委托单位及管线权属单位复核未发现遗漏问题，本工程在成果图提交后结合成果报告开始施工，一个月内施工完毕，未出现任何管线安全问题。

五、结论及建议

综合物探技术能够解决管线探测中90%的问题，避免了市政工程管线施工的很多风险，但也存在未发现及无法解决的问题，为保证管线探测质量并避免施工风险，对行业同仁及市政工程施工单位建议如下:

1)由于目前管线材质及埋设方式的多样性，管线探测难度大，综合物探技术能够解决的问题包括:埋深小于3 m的金属管线和电缆探测问题;对有出入口的非金属管道(如排水管)，有空孔的一束非金属管线的空间定位问题;孔径大于90 mm两端开口的各类管线定位问题，不受地形限制，埋深限制;深埋金属管线或含钢筋的砼管线的空间定位问题。本文中提出的探测方法应互相校核，以确保探测结果的准确性。

2)由于目前物探方法的局限性，一些特殊管线在现场难以发现，包括无附属物的非金属管线、导电性极差的新型管线、无井无感应信号的通信管线、未通电或弱电的电缆、深度过大或拉管顶管在测区没有出地点的管线。针对以上情况，管线测绘单位在出图后应与甲方及施工单位进行管线图说明，同时与相关管线权属单位沟通，如发现问题，管线探测单位应及时采用相关探测手段到现场解决。如采用探测手段无法解决应在成果报告中予以说明。

3)由于地下管线的建设是一个动态的过程，管线成果只是截止提交日期前测区管线的实时反映，项目施工可能是一个较长的时间段，在此期间地下管道可能会有新增及拆除现象，为了避免施工损坏新建管线，建设单位应尽快施工或在施工前进行复测。

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