綜合物探技術(shù)在非金屬管線精確定位中的應(yīng)用研究

徐長(zhǎng)虹，邵月中

(寧波市測(cè)繪和遙感技術(shù)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

近年來(lái)，隨著城市快速發(fā)展，城市道路地下管網(wǎng)大量建設(shè)，由于PE、PVC等非金屬管材具有耐腐蝕、抗老化、便于施工、成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐步由過(guò)去的大量使用金屬材質(zhì)向非金屬材質(zhì)過(guò)渡[1]，特別是在供水、燃?xì)狻⑼ㄐ诺裙芫€中應(yīng)用較多。目前對(duì)于金屬管線的探測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，但由于非金屬管線不具有導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，常規(guī)地下管線探測(cè)方法對(duì)于非金屬管線探測(cè)較為困難，并受場(chǎng)地條件限制，容易受其他金屬管線干擾。目前迫切需要有效、抗干擾的技術(shù)手段對(duì)非金屬管線進(jìn)行探測(cè)。

通信類非金屬管線中淺埋的一般采用電磁感應(yīng)法探測(cè)，非開(kāi)挖管線一般采用示蹤法、陀螺儀探測(cè)[2～4]。供水、燃?xì)獾确墙饘俟芫€較難探測(cè)，有些使用探地雷達(dá)法[5]、地震波法[6]、鉆孔探摸[7]等技術(shù)手段，其中鉆孔探摸實(shí)施難度較大，對(duì)管線容易造成損壞，并對(duì)場(chǎng)地內(nèi)附近其他管線可能造成影響，如果在道路上則更難實(shí)施。

在工程實(shí)施前，為保障城市安全和人民生活所需，有必要對(duì)非金屬管線進(jìn)行探測(cè)并精確定位。本文介紹了探地雷達(dá)、地震映像和高密度電法對(duì)非金屬管線進(jìn)行精確定位的原理與實(shí)例。

2 方法原理

2.1 探地雷達(dá)法

當(dāng)探地雷達(dá)儀通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射的高頻電磁波在地下傳播過(guò)程中遇到這些波阻抗反射界面時(shí)即形成電磁波反射，當(dāng)反射電磁波從地下反射上來(lái)時(shí)即被地面的雷達(dá)接收天線接收，并被雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來(lái)形成探地雷達(dá)影像剖面；然后通過(guò)對(duì)采集的探地雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取有效信號(hào)，最后進(jìn)行綜合分析和地質(zhì)工程解釋，從而識(shí)別地下管線。

該方法頻帶寬，用于目標(biāo)探測(cè)時(shí)信息量豐富，對(duì)正常交通影響小，對(duì)外界的抗干擾能力強(qiáng)，信息處理方法比較簡(jiǎn)單，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以快速獲得連續(xù)的地下介質(zhì)信息剖面，據(jù)此可以研究較復(fù)雜的地下目標(biāo)體(團(tuán)狀、點(diǎn)狀或線狀目標(biāo)體)的空間特征，因此是管線探測(cè)的重要手段和方法。

圖1 雷達(dá)理示意圖

雷達(dá)接收天線能接收由地下介電異常物體反射回來(lái)的電磁波，在管道前、上、后都能接收到反射回來(lái)的電磁波，并在雷達(dá)圖像反映，再通過(guò)軟件分析處理，確定其在地下的埋設(shè)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鐵錘敲擊鐵板，以共偏移距用單道或多道檢波器接收來(lái)自地下地層的反射、繞射、散射等多波信號(hào)，來(lái)研究地下地層情況。當(dāng)震源激發(fā)一彈性波場(chǎng)，在一定的頻帶范圍內(nèi)子波向下傳播，當(dāng)遇到波阻抗界面(兩彈性力學(xué)性質(zhì)不同介質(zhì)的分界面)，就會(huì)產(chǎn)生波的反射、繞射、散射等現(xiàn)象。一般地下地層的分界面會(huì)產(chǎn)生反射波，障礙物等復(fù)雜介質(zhì)產(chǎn)生繞射波、散射波、轉(zhuǎn)換波；地層突變點(diǎn)產(chǎn)生繞射波。

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，在最佳窗口內(nèi)選擇一個(gè)公共偏移距，采用單道小步長(zhǎng)，保持炮點(diǎn)和接收點(diǎn)距離不變，同步移動(dòng)震源和接收傳感器。每激發(fā)一次接收一道波形，最后得到一張多道記錄，各道具有相同的偏移距。將野外測(cè)試所獲得的地震波記錄進(jìn)行回放、編輯整理；通過(guò)濾波、增益等處理以提高信噪比；然后對(duì)有效波進(jìn)行研究分析，判斷其性質(zhì)及深度等，最后，配合測(cè)線，確定障礙物等異常位置。其探查原理如圖2所示。

圖2 地震映像法探查原理示意圖

2.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法是集電測(cè)深和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法，它具有一次布極即可進(jìn)行多種裝置數(shù)據(jù)采集以及通過(guò)求取比值參數(shù)而能突出異常信息的地球物理方法，具有信息量大、觀察精度高、速度快以及探測(cè)深度靈活等特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。當(dāng)測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋的結(jié)果。

圖3 溫納對(duì)稱四極法

其中地下測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 高密度電法原理圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 某工程PE燃?xì)夤艿捞綔y(cè)

某工程施工范圍內(nèi)有直埋的直徑600 mm的PE燃?xì)夤?，由于PE管不具有導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，常用的電磁感應(yīng)法無(wú)法探測(cè)，但與周邊土層有介電常數(shù)差異和波阻抗差異，故考慮采用探地雷達(dá)法和地震映像法進(jìn)行探測(cè)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用探地雷達(dá)200 MHz天線進(jìn)行探測(cè)，該天線分辨率較高，有效探測(cè)深度可滿足探測(cè)要求。如圖5所示，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面上明顯的雙曲線反應(yīng)為該P(yáng)E管道反應(yīng)，管頂埋深約 1.3 m，管道中心位置位于測(cè)線起點(diǎn)約 13 m左右。

圖5 600 mm PE燃?xì)夤芴降乩走_(dá)測(cè)線數(shù)據(jù)剖面

地震映像數(shù)據(jù)剖面如圖6所示，偏移距 0.2 m，測(cè)線 12 m～14 m地震信號(hào)紊亂，地層同相軸缺失，有繞射波，確定為管道反應(yīng)，管道中心位置位于測(cè)線 13 m左右。地震映像管道探測(cè)結(jié)果與探地雷達(dá)法探測(cè)結(jié)果一致，很好地確定了該P(yáng)E燃?xì)夤艿奈恢谩?/p>

圖6 600 mm PE燃?xì)夤艿卣鹩诚駵y(cè)線數(shù)據(jù)剖面

3.2 某工程PE供水管道探測(cè)

某工程施工范圍內(nèi)存在直徑500 mm的PE供水管道，為施工時(shí)避開(kāi)該管道，需要對(duì)其平面位置進(jìn)行精確定位。考慮到PE供水管相對(duì)于周邊土層，表現(xiàn)為低電阻率特征，故采用高密度電法對(duì)供水管進(jìn)行探測(cè)。

高密度電法采用溫納裝置形式，共布設(shè)30個(gè)電極，電極距 1 m。如圖7所示，由電法數(shù)據(jù)剖面可知，在水平位置 12 m～15 m區(qū)域有明顯的低阻異常，深度約為 1.2 m～2.5 m。由于PE供水管道內(nèi)含水，表現(xiàn)為低阻異常，在電阻率斷面上有非常明顯的反應(yīng)。管道走向與測(cè)線方向垂直，在電法剖面上顯示為一個(gè)近似圓形區(qū)域。管頂埋深約 1.2 m，管中心位置距測(cè)線起點(diǎn) 14 m左右。

圖7 500 mm PE供水管高密度電法測(cè)線數(shù)據(jù)剖面

3.3 某軌道交通工程通信管線排管寬度探測(cè)

某軌道交通新建車站出入口，穿越道路區(qū)域需要打圍護(hù)樁，樁位需要避開(kāi)現(xiàn)有管線。該范圍內(nèi)的通信、電力、供水、燃?xì)獾戎甭窈头情_(kāi)挖管線已采用電磁感應(yīng)法和示蹤法進(jìn)行了探測(cè)，但有1路24孔通信管線埋深在 1.0 m～1.5 m，對(duì)圍護(hù)樁施工影響較大，搬遷難度大，需要對(duì)該通信管線排管寬度精確定位。由于該管線位于道路中心，車流大，封閉車道較困難，采用地震、電法、鉆探等效率較低的技術(shù)手段較難實(shí)施，且由于僅有1孔穿線，利用電磁感應(yīng)法探測(cè)信號(hào)較弱。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用效率較高、對(duì)道路行駛影響較小的探地雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)，采用 200 MHz天線，探測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面上 3.0 m～4.0 m區(qū)域有多次反射，為通信排管反應(yīng)，排管寬度約 1 m左右。

圖8 通信排管探地雷達(dá)法測(cè)線數(shù)據(jù)剖面

4 結(jié) 論

城市道路地下管線非常密集，非金屬管線大量應(yīng)用，在工程施工過(guò)程中，非金屬管線的精確探測(cè)對(duì)于保障管線安全越發(fā)重要。非金屬管線探測(cè)難度較大，采用常規(guī)的探測(cè)技術(shù)手段，難以取得較好的效果。在很多工程中，需要對(duì)非金屬管線進(jìn)行精確定位，以進(jìn)行管線安全保障和管線遷改。本文介紹的地震映像法可對(duì)管徑較大的非金屬管線進(jìn)行精確探測(cè)；探地雷達(dá)法可對(duì)淺埋非金屬管線的管頂埋深和位置進(jìn)行精確探測(cè)；高密度電阻率法在具備一定接地條件時(shí)，可對(duì)管線埋深和位置進(jìn)行精確探測(cè)。實(shí)際探測(cè)工作中，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)方法試驗(yàn)，選擇上述方法中的一種或幾種方法進(jìn)行綜合探測(cè)，很好解決非金屬管線的精細(xì)探測(cè)難題。