城市公共安全中的管線探查與工程物探

黃申碩，陸占國，林立松，惠亞娜

(北京桔燈地球物理勘探有限公司，北京102200)

一、引 言

隨著城鎮化進程的快速推進，城市公共安全問題也自然而然地成為關系國計民生的重大課題。早在2006年3月，“The Leading Edge”雜志社，就發表過“Geophysics and Public Safe”(地球物理與公共安全)專集。對休斯頓、堪薩斯、圖森、佛羅里達等區出現的淺層斷裂系、落水洞形成及不均勻沉降所產生的城市工程不安全因素及探測方法作了較詳盡的介紹與討論。

近年來，我國各地城市公路塌陷、建筑物倒塌類報導屢見不鮮，已引起政府及有關方面的高度重視。應當指出，城市地下縱橫交錯的管線(每戶平均六條)為城市居民生活帶來了極大的便利，為城市經濟發展起到了不可估量的貢獻，但是也同樣對城市工程的公共安全造成了不少的隱患。

首先，城市的管線會產生老化破損，特別是自然因素和人工因素所造成的工程力學環境惡化，其破損速度會不同程度地加速。破損的管線尤其是供排水管線的破損，泄露的廢水又會掏空地下基礎建筑，產生空洞、水溝等，造成公路與建筑物塌落，釀成生命財產損失的災難性事件。

其次，城市地下管線的開挖、回填，往往會使原有工程條件發生變化，而變化著的工程地質條件，又往往會扭曲、損壞管線。可以說城市的管線密布區，可能是城市公共安全必須重點防范的區域。

綜上所述，城市地下管線探查，不能僅僅停留在“分布狀況”與“精準定位”上，非常有必要與工程物探密切配合，使其在城市工程公共安全保障中發揮更大作用。

二、地下管線探查中的功能擴展

地下管線是現代城市重要的基礎設施之一，精準勘查地下管線的平面位置、高度、埋深、走向等空間要素，建立地下管線的信息庫，是現代化城市管理的重要工具。以往的地下管線探測，基本目的局限于管線本身的空間分布的精準空位，很少涉及管線所處空間的工程地質條件及變化。因此，常用的探測方法以電磁感應類為主(從金屬探測器到地質雷達)，少數情況也沿用某些常規物探方法(充電法、磁法等)。目前用于管線測量的方法、儀器，需要兼顧工程物探，其功能必須予以擴展:

1)勘探深度應從3～5 m，擴展到10～20 m。

2)使用多種方法，充分利用巖土的物性參數(電阻率、介電常數、密度和彈性模量)的不均勻性分布，精細描繪周圍空間的工程地質力學狀況，以查找空洞、斷層等不安全隱患。

多種物探方法與儀器，有可能在地下管線探測中起到重要作用，如瑞利面波地震法、MHz級探地雷達、地容耦合式電阻率部面法、三分量動態瞬變電磁方法等。然而，由于地下管線探測區的特殊性——強干擾，作業區狹小而局限，大多分布于建筑物群落之中，因此，選用的方法，儀器應當體現高效輕便、抗干擾能力強、無損檢測(最好是動態連續)等特點。下面簡單介紹幾種可能的方法和儀器:

1.三分量動態瞬變電磁儀DNT-32

動態納米瞬變(DNT)是一個快速多通道TEM數據采集的系統，是常規時間域電磁法的改進，測量的時間早于常規TEM儀器，最快速采樣在發射機關斷后1μs左右，定位精確，并且動態實時觀測，整套系統集成了快速的發射關斷和高速采樣。

2.抗干擾偽隨機電法儀GAEA10

以往的電(電磁)法儀器，多以累加平均(或積分)方式消除隨機分布的噪聲，提高系統的信噪比。然而，隨著經濟社會的發展與城鎮化進程的推進，與人類活動有關的噪聲(電磁、振動)雪崩似地增大，而且形式五花八門，僅靠常規抗噪手段無法奏效，甚至適得其反。因此，桔燈公司開發研制了以偽隨機編碼及互相關技術為基礎的新型的電法儀器，經過近一年的試驗，表明其抗干擾力極強，可在高壓線密布的城區取得可靠數據(如圖1所示)。

圖1

通過發射機向地下發送偽隨機編碼的電流波形信號，接收機接收發射出的偽隨機電壓信號，通過數字信號處理得到大地響應函數。數字信號處理過程順序是:首先對發送信號作自相關處理得到發送信號的大地響應函數，對接收信號作互相關處理得到接收信號的大地響應函數，分別對發送信號和接收信號的大地響應函數做快速傅里葉變換，得到各頻點下信號的實部和虛部，從而得到發送信號和接收信號的幅頻特性曲線和相頻特性曲線;然后用接收信號的相頻特性曲線減去發送信號的相頻特性曲線，就得到各頻點的絕對相位值;最后用接收信號的幅頻特性曲線除以發送信號的幅頻特性曲線，再乘以物探上的裝置系數K，即可得到視電阻率。

3.電阻率剖面法

電阻率剖面法，對地下電性分布的不均勻狀態，反應靈敏，一直是工程物探中常用的方法;但常規電阻率剖面法，使用向地下埋入電極進行測量的方式，在城區無法實施。幾年前，國外研發了一種電容耦合式的交變電流(15 kHz)電阻率剖面儀器，以便在淺層物探中實現無損動態測量，國內幾個單位也做了類似的研究，預計很快就會有商業化儀器設備面市(如圖2所示)。

三、城市工程物探中地下管線的影響

在城市進行工程物探，除了嚴重的干擾及作業區受限等因素之外，地下管線的存在大大增加了工程物探的難度。

1)地下導線大多是金屬物件，導電性極好，它不僅表現出強烈的異常反應，成為工程物探的強干擾法，而且會使激勵場(電場、電磁場)的分布嚴重畸變，無法用現有的概念對觀測資料做出準確解釋。

圖2

2)地下管線密布區，也是城市公共工程安全敏感區，避開工業已存在的地下管道進行工程物探，在城區基本上是不可能的，解決以上難題，不是一兩項技術或者一兩種儀器就可奏效的，需要進行長期的多方面的實踐與研發。

為此，在城市進行工程勘探，必須與地下管線探測等緊密結合，在充分查找管線分布及管線類型的基礎上巧妙地施以其他物探方法，并綜合管線狀態做出合理的解釋，才能取得較好的結果。在管線分布十分密集區，為了減小淺層管線的影響，也可以適當的進行淺部測井或管線以下的電法勘測工作(如將測量一端供電電極置于3 m以下)。

四、結語與建議

城鎮化的快速推進，城市公共工程安全事故的頻頻出現，將促使地球物理體系中的兩個分支——地下管線與城市工程物探高度融合，甚至渾成一體，應當是經濟技術發展的必然;地下管線與城市工程物探的科技工作者，不論是自學還是被迫，都應當相互交流，相互補充，融合成一個高技術、高效能的服務平臺，為城鎮化進程中的公共安全服務保駕護航。

桔燈公司作為一個地球物理探測的服務機構，愿意為實現這種科學的“融合”搭建平臺，提供信息，提供產品，提供各項力所能及的服務。

略)