综合物探技术在非金属管线精确定位中的应用研究

徐长虹，邵月中

(宁波市测绘和遥感技术研究院，浙江 宁波 315042)

1 引 言

近年来，随着城市快速发展，城市道路地下管网大量建设，由于PE、PVC等非金属管材具有耐腐蚀、抗老化、便于施工、成本低等优点，逐步由过去的大量使用金属材质向非金属材质过渡[1]，特别是在供水、燃气、通信等管线中应用较多。目前对于金属管线的探测技术相对成熟，但由于非金属管线不具有导电性和导磁性，常规地下管线探测方法对于非金属管线探测较为困难，并受场地条件限制，容易受其他金属管线干扰。目前迫切需要有效、抗干扰的技术手段对非金属管线进行探测。

通信类非金属管线中浅埋的一般采用电磁感应法探测，非开挖管线一般采用示踪法、陀螺仪探测[2～4]。供水、燃气等非金属管线较难探测，有些使用探地雷达法[5]、地震波法[6]、钻孔探摸[7]等技术手段，其中钻孔探摸实施难度较大，对管线容易造成损坏，并对场地内附近其他管线可能造成影响，如果在道路上则更难实施。

在工程实施前，为保障城市安全和人民生活所需，有必要对非金属管线进行探测并精确定位。本文介绍了探地雷达、地震映像和高密度电法对非金属管线进行精确定位的原理与实例。

2 方法原理

2.1 探地雷达法

当探地雷达仪通过发射天线向地下发射的高频电磁波在地下传播过程中遇到这些波阻抗反射界面时即形成电磁波反射，当反射电磁波从地下反射上来时即被地面的雷达接收天线接收，并被雷达数据采集系统记录下来形成探地雷达影像剖面；然后通过对采集的探地雷达信号进行数据处理，提取有效信号，最后进行综合分析和地质工程解释，从而识别地下管线。

该方法频带宽，用于目标探测时信息量丰富，对正常交通影响小，对外界的抗干扰能力强，信息处理方法比较简单，其最大的优点是可以快速获得连续的地下介质信息剖面，据此可以研究较复杂的地下目标体(团状、点状或线状目标体)的空间特征，因此是管线探测的重要手段和方法。

图1 雷达理示意图

雷达接收天线能接收由地下介电异常物体反射回来的电磁波，在管道前、上、后都能接收到反射回来的电磁波，并在雷达图像反映，再通过软件分析处理，确定其在地下的埋设部位。

2.2 地震映像法

地震映像法勘探工作原理是在地表用铁锤敲击铁板，以共偏移距用单道或多道检波器接收来自地下地层的反射、绕射、散射等多波信号，来研究地下地层情况。当震源激发一弹性波场，在一定的频带范围内子波向下传播，当遇到波阻抗界面(两弹性力学性质不同介质的分界面)，就会产生波的反射、绕射、散射等现象。一般地下地层的分界面会产生反射波，障碍物等复杂介质产生绕射波、散射波、转换波；地层突变点产生绕射波。

现场探测时，在最佳窗口内选择一个公共偏移距，采用单道小步长，保持炮点和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。每激发一次接收一道波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。将野外测试所获得的地震波记录进行回放、编辑整理；通过滤波、增益等处理以提高信噪比；然后对有效波进行研究分析，判断其性质及深度等，最后，配合测线，确定障碍物等异常位置。其探查原理如图2所示。

图2 地震映像法探查原理示意图

2.3 高密度电阻率法

高密度电阻率法是集电测深和电剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多种装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的地球物理方法，具有信息量大、观察精度高、速度快以及探测深度灵活等特点。具体来说，高密度电阻率法是一种阵列式电法勘探方法，野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现对数据的快速和自动采集。当测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。

图3 温纳对称四极法

其中地下测点分布如图4所示。

图4 高密度电法原理图

3 应用实例

3.1 某工程PE燃气管道探测

某工程施工范围内有直埋的直径600 mm的PE燃气管，由于PE管不具有导电性和导磁性，常用的电磁感应法无法探测，但与周边土层有介电常数差异和波阻抗差异，故考虑采用探地雷达法和地震映像法进行探测。

通过现场试验，采用探地雷达200 MHz天线进行探测，该天线分辨率较高，有效探测深度可满足探测要求。如图5所示，探地雷达数据剖面上明显的双曲线反应为该PE管道反应，管顶埋深约 1.3 m，管道中心位置位于测线起点约 13 m左右。

图5 600 mm PE燃气管探地雷达测线数据剖面

地震映像数据剖面如图6所示，偏移距 0.2 m，测线 12 m～14 m地震信号紊乱，地层同相轴缺失，有绕射波，确定为管道反应，管道中心位置位于测线 13 m左右。地震映像管道探测结果与探地雷达法探测结果一致，很好地确定了该PE燃气管的位置。

图6 600 mm PE燃气管地震映像测线数据剖面

3.2 某工程PE供水管道探测

某工程施工范围内存在直径500 mm的PE供水管道，为施工时避开该管道，需要对其平面位置进行精确定位。考虑到PE供水管相对于周边土层，表现为低电阻率特征，故采用高密度电法对供水管进行探测。

高密度电法采用温纳装置形式，共布设30个电极，电极距 1 m。如图7所示，由电法数据剖面可知，在水平位置 12 m～15 m区域有明显的低阻异常，深度约为 1.2 m～2.5 m。由于PE供水管道内含水，表现为低阻异常，在电阻率断面上有非常明显的反应。管道走向与测线方向垂直，在电法剖面上显示为一个近似圆形区域。管顶埋深约 1.2 m，管中心位置距测线起点 14 m左右。

图7 500 mm PE供水管高密度电法测线数据剖面

3.3 某轨道交通工程通信管线排管宽度探测

某轨道交通新建车站出入口，穿越道路区域需要打围护桩，桩位需要避开现有管线。该范围内的通信、电力、供水、燃气等直埋和非开挖管线已采用电磁感应法和示踪法进行了探测，但有1路24孔通信管线埋深在 1.0 m～1.5 m，对围护桩施工影响较大，搬迁难度大，需要对该通信管线排管宽度精确定位。由于该管线位于道路中心，车流大，封闭车道较困难，采用地震、电法、钻探等效率较低的技术手段较难实施，且由于仅有1孔穿线，利用电磁感应法探测信号较弱。

根据现场条件，采用效率较高、对道路行驶影响较小的探地雷达法进行探测，采用 200 MHz天线，探测数据如图8所示。雷达数据剖面上 3.0 m～4.0 m区域有多次反射，为通信排管反应，排管宽度约 1 m左右。

图8 通信排管探地雷达法测线数据剖面

4 结 论

城市道路地下管线非常密集，非金属管线大量应用，在工程施工过程中，非金属管线的精确探测对于保障管线安全越发重要。非金属管线探测难度较大，采用常规的探测技术手段，难以取得较好的效果。在很多工程中，需要对非金属管线进行精确定位，以进行管线安全保障和管线迁改。本文介绍的地震映像法可对管径较大的非金属管线进行精确探测；探地雷达法可对浅埋非金属管线的管顶埋深和位置进行精确探测；高密度电阻率法在具备一定接地条件时，可对管线埋深和位置进行精确探测。实际探测工作中，可通过现场方法试验，选择上述方法中的一种或几种方法进行综合探测，很好解决非金属管线的精细探测难题。