校園地下管線探測實踐

張 征 趙俊蘭 張政委

（北方工業大學土木工程學院，中國 北京100144）

0 引言

校園地下管線，是學校基礎建設設施的重要組成部分，是規劃、建設、管理的重要基礎信息，是城市賴以生存和發展的物質基礎。校園地下管網是信息、能源、物質的載體，隨著校園建設發展，各類地下管線不斷增加，但因管理不善，未能及時進行竣工測量，使得地下管線資料殘缺現狀日益增長，嚴重地制約和影響學校規劃，建設、管理的科學化，現代化進程。因此查明地下管線的平面位置、走向、埋深（或高程）、規格、性質、材質等，并編制地下管線圖，建立地下管線信息管理系統，對地下管線動態更新，確保校園管網信息的實時性，實現校園數字化信息化建設，為校園規劃建設、地下管線維修提供依據。

1 地下管線探測技術方案

地下管線探測包括探查和地下管線測繪兩個基本內容。地下管線探查是通過現場調查和不同的探測方法探尋各種管線的埋設位置和深度，并在地面上設立測量點，即管線點；地下管線測繪是對已查明的地下管線位置即管線點的平面位置和高程進行測量，并編繪地下管線圖，包括對新建管線的施工測量和竣工測量。城市地下管線探測應根據地下規劃管理部門或公用設施建設部門的要求、依據《城市地下管線探測技術規程》進行，其范圍包括道路、廣場等主干管線通過的區域。

1.1 地下管線探測的工作模式

地下管線的類型及其特點依據行業標準《城市地下管線探測技術規程》的規定，可分為9大類，即給水、排水、燃氣、熱力、工業、電力、電信、綜合管溝和人防管線；各類管線上設有不同的建筑物、構筑物、以及附屬設施。在管線探測和普查時，不僅要精確地下管線的位置、走向、埋深，同時還要實地調查管線的斷面、電纜根數、傳輸物體特征、敷設時間和單位以及管理部門等。上述與管線有關的空間信息和屬性信息統稱為地下管線信息，地下管線空間信息用統一坐標系（高斯-克呂格平面直角坐標系即高斯坐標統）中的坐標X、Y、Z來表示，屬性信息用字符或數字進行描述。地下管線探測采用實地調查、儀器探查、測量與機助制圖內外業一體化作業，同步建庫工作模式。具體方案是：充分利用專業管線權屬單位已有資料，在根據現況調繪基礎上，以開井調查與儀器探測結合、解析法測繪、機助成圖一體化作業獲取管線數據，同步建立地下管線信息系統。實現規劃與管線運行維護的現代化管理。

1.1.1 工作原理

根據物理學中電磁感應定律可知，當通過一閉合回路所包圍的面積的磁通量發生變化時，回路中就產生感應電流，而導體的電流又在周圍空間產生磁場。地下管線探測儀就是利用這一工作原理。即:由發射機發出交變的電磁場，通過感應或連接的方法，使之作用到埋在地下的金屬管線上，管線可視為無限長，這樣在管線上就會產生感應電流。用接收機接收感應電流產生的磁場，以此來確定管線的平面位置及埋深。目前國內外流行的管道探測儀，無一不是利用頻率域電磁法的原理進行設計的。無論是雙天線測“梯度”值 ，還是單天線測磁場各個分量，其基本的解析式為：

（1）式中，μ為周圍介質的磁導率；I為電流強度；h為觀測剖面線至管線的距離，當觀測線布在地面上時，該距離即為管線的埋深 ；X為觀測點至管線在地面的投影的距離。

1.1.2 技術標準

地下管線探測精度及探測基本地形圖比例尺的選擇，按照中華人民共和國行業標準《城市地下管線探測技術規程》GJJ61-94及《城市測量規范》GJJ8-85的要求執行。校園管線探測基本地形圖比例尺選擇1:500，探查定位精度要求按表1-表4執行。測量管線點的解析坐標中誤差不大于±5cm，高層中誤差不大于±2cm。城市管線探測按照行業規范要求，采用與城市統一的坐標和高程系統為北京城市63坐標系和85國家高程基準。

表1 管線探查測量定位精度要求

表2 隱蔽管線點的探查精度

1.1.3 技術路線

數字地下管線探測動態更新內外業一體化的核心,是各工序的無縫銜接,最大限度地減少手工介入的程度,最大限度地實現自動化。管線探測是一個數據在內外業交叉循環的過程,在一體化工藝技術中,也要實現數據的交互性與可逆性。外業探測與調查的數據,實時記錄到PDA,不再在使用人工草圖,內業將PDA數據傳輸到計算機,進行調查表輸出、坐標校正、數據編輯、成果輸出等工作。一體化的關鍵技術要實現管線探測的一體化,重點是解決野外數據的記錄和存儲問題,以及內外業的銜接問題;而野外數據記錄和存儲,重點則是安全、穩定和易用。

表3 市政公用管線探測取舍標準

2 地下管線信息數據采集

城市地下管線信息系統的野外數據采集包括探查和測繪兩部分，地下管線全野外數據采集與處理是地下管線探測的關鍵工序之一，貫穿于整個城市地下管線探測作用施工過程，同時也是建立城市地下管線信息系統的基礎。

2.1 地下管線探查

在管線探查中，對于明顯管線點可采取直接開井調查，對于隱蔽管線點，由于管線類型不同，埋設年代不同，地質環境復雜等特點，一般采用資料結合探查并開挖驗證的方法。在野外探測時必須選擇施加最佳信號，且對除目標管線外的其它管線藕合最少的技術，探查前應在已知管線位置和埋深的地段做試驗，對埋深探查求出改正值，再對未知管線進行探查。對明顯管線點如接線箱 、儀表井等附屬設施，采用直接法，直接調查、記錄和測量，埋深小于4.6m的管線，無干擾時，用按鍵直讀法測量深度；對干擾較強場地可用70%法進行深度測量，對埋深一定要進行改正。對于多管線地區，可采用分別施加信號進行探測，同時把發射源線圈平行放在一條管線上，以探查相鄰管線的位置和埋深，綜合以上資料，踏勘、探查的結果，來最后確定管線的水平位置和埋深。對信號弱、干擾大、管線密集的地區，按1%～5%的比例開挖，驗證探查的水平精度和埋深精度。

2.1.1 地下管線探查的基本步驟

資料分析和實地調查是地下管線探測的基本步驟 。在對管線權屬單位提供的各類資料(如設計圖紙、竣工圖紙等)深入分析的基礎上，實地調查各類明顯管線點(包括接線箱、閥門、消 防栓、人孔井、手孔井、檢修井等附屬設施)進行直接開井并量取埋深、偏距、性質、種類等各種數據，填寫地下管線點調查表，同時明確必須用儀器探查的管線段。

2.1.2 地下管線探測的關鍵步驟

在對管線權屬單位提供的各類資料（如設計圖紙、竣工圖紙等）深入分析的基礎上，實地調查各類明顯管線點進行直接開井并量取埋深、偏距、性質、種類等各種數據，填寫地下管線點調查表，同時明確必須用儀器探查的管線段，采用盲探方法探測隱蔽管線點。

2.1.3 地下管線探查儀器

儀器探查應根據探查條件、材質及管徑等采取不同探查方法，校園地下管線探測采用英國Radio公司的RD4000PDL2型地下管線探測儀。工作頻率為8KHz、33KHz、65KHz，有無源和有源兩種工作方式，無源工作方式用來搜索一個區域內未知的電力電纜和其他管線，有源方式通過直接法和感應法用于地下管線路由的精確定位、深度測量和長距管線追蹤。RD4000PDL2管線儀提供了峰值和谷值兩種探測模式。谷值法定位直觀快捷，單精度較差，主要用于快速追蹤管線和驗證峰值定位的精確性。峰值法的精度和抗干擾能力遠遠高于谷值法。

RD4000PDL2型地下管線探測儀管線定位 ：采用極大值法 （峰值）或極小值法（谷值）。極大值法：即用管線儀兩垂直線圈測定水平分量之差⊿Hx的極大值位置定位；若管線儀不能觀測⊿Hx，可采用水平分量Hx極大值法定位。極小值法：用水平線圈測定垂直分量Hz的極小值定位。兩種方法宜綜合應用，對比分析，確定管線平面位置。

2.2 地下管線探查數據采集分析

地下管線探測中我們采用確定目標管線峰值響應的精確位置作定點定位（如圖1所示），然后用直讀法和70%法作管線探測測量（如圖2所示），在作業前，我們對已知管線段進行探測實驗，確定探測儀的水平定位和豎直定位精度，測定結果：儀器的水平定位一致性好，精度符合要求，儀器直接探測略有誤差，用70%法探測可達到精度要求。如果在無干擾的情況下，測量點兩邊5步范圍內管線是直的，信號在10步范圍內穩定，用直讀法深度測量有很高的測量精度，且簡單快捷。但在管線密集的地段，干擾信號較強，用直讀法測量誤差較大，需用70%法來測深。用幾個不同的點讀數做測量深度的檢測。70%特征比值法：即HX極大值兩側的0.7比值點的距離即為管線的深度。70%法深度測量精度高，抗干擾性能力強，在特別復雜地段，采用多種方法，反復驗證，以達到精確定位后的管線點，在實地上用紅漆畫“+”標記并在點附近標注編號，以提供地下管線測繪的依據。與此同時立即做好探測或調查內容記錄。記錄內容包括：點號、管性、點性、埋深、材質、管徑、埋設日期等，管線探查后形成管線調查數據文件。

基于RD400PXL系列探測儀的幾種在有源方式下的信號施加方法：①直連法 發射機一端接在金屬管線上，另一端接地，將交變電流直接注入地下金屬管線，觀測管線電流產生的磁場。可對各種金屬管線進行掃描定位、測深、連續追蹤并區分相鄰管線。由于管線電流產生的信號很強，故信噪比和分辨率均較高；但必須有金屬管線出露點。在各種方法中，探測效果最好；②夾鉗法 ：在無法將發射機信號輸出端直接連在被測管線的情況下，可采用夾鉗法。它將地下管線探測儀的專用夾鉗套套在被測管線上，適用于管徑較細的管線。優點簡單便捷；③感應法：將發射機直接放在被測管線上方，依靠發射機的自身感應傳導信號，使地下管線在諧變場的作用下，感應出諧變電流，地下管線中的二次諧變電流又會產生諧變電磁場，稱二次場。在地面上通過接受線圈便可觀測到二次磁場，這樣便可知道地下管線的存在及具體位置。其缺點是信號較分散、易被干擾。RD400PXL系列探測儀管線定深采用70%特征點法及直讀法。

使用RD400XL2/PDL2地下管線探測儀對校園的電力線進行無源方式的物探，在接收機的電力模式下應用上述各方法進行深度測量，讀出的數據用于最后的數據分析與比較。 為了研究并探討地下管線探測的最佳物探方法。分別在峰值與谷值狀態下選擇直讀及70%法進行具體測深試驗。記錄各組數據，圖3已知給水管線各種探測方法測深數據分析比較，70%法、谷值法、直讀法測深數據分析如圖4-圖6所示，通過數據分析對比得出最佳的探深方法和測量方案。

深度測量：不能用接收機的電力和無線電模式作深度測量；應在管線的中段進行深度測量，探測的深度必須在測深范圍內，這一點對大管徑來講是很關鍵的 ；不要在管線拐彎處和T形支管附近進行深度測量，至少要離開拐彎處5步以上才能得到最佳的精度；在有強烈干擾或部分發射機信號已耦合到鄰近管線上時，深度測量是不準確的；深度測量時應避免用感應法施加信號，如果別無選擇，則發射機必須離開深度測量點至少30步遠；若發射機信號正在向鄰近管線傳輸，則應該用雙端連接法將信號施加到目標管線上。

無論是有源模式還是無緣模式，70%法在定深方面單點合格率與穩定性都是最好的。特別是在峰值模式下，合格率與穩定性都保持在90%左右，可以滿足地下管線探測精度需要。經過修正以后，用70%法測得的數據中誤差明顯減小，經過平均值計算中誤差合格率甚至達到了100%（＜5cm），經真值計算出的中誤差合格率也提高到60%，兩個未滿足要求的中誤差也有大幅度的降低。所以，在實際測量工程中，忽略個別誤差較大值后，得到的埋深基本上可以滿足要求。與70%法比較起來，直讀法的穩定性稍差，在單管單線情況下，可以滿足工程要求。谷值模式下，除在測量范圍內幾乎只有一條管線的情況下，穩定性極差，不能滿足工程要求。

經過修正以后，應用直讀法和在谷值模式下得出的結果，其中誤差合格率仍然沒有得到提高。應用直讀法得出的結果合格率保持在60%左右。在谷值模式下得出的結果合格率則只有20%。說明在進行深度測量時，70%的穩定性最好，其次為峰值模式下的直讀法，而谷值模式基本上不能應用于深度測定。

2.3 地下管線測繪

地下管線測量，指的是為各種地下管線及其附屬設施新建、擴建、改建的勘測設計、施工、竣工、驗收、養護及營運管理等所進行的測量工作，其工作應包括以下內容：測區已有控制成果和地形圖的收集、檢測和修測；地下管線點的連測；測量成果的整理。本次地下管線測量是以外業探查現場繪制的草圖為依據而進行的管線測量。地下管線測量的內容包括（1）建立地下管線測量控制網，為管線點聯測和管線圖測量提供基礎；（2）進行管線點聯測，確定管線點的坐標與高程；（3）地下管線圖的測繪（即內業成圖）。

2.3.1 控制測量

我們進行地下管線點測量時，與地面部分相結合進行。平面控制測量采用靜態 GPS測量方式，在已有 C級 GPS點的基礎上，布設 D級、E級GPS網作為測區首級控制，在此基礎上進行RTK點加密作為圖根控制。高程控制測量采用水準測量方式進行。D級、E級GPS網中各點均進行四等水準聯測，對于測區內的埋石圖根點聯測等外水準，不埋石圖根點使用GPS擬合高 程 。

2.3.2 管線點測量

地下管線點測量在已有各等級控制點的基礎上進行，測量時使用索佳SET-500型全站儀，采用極坐標法施測其平面位置，高程采用三等水準測量施測。由于管線點的測量比一般的地物碎部點測量精度要求高，測量時使用對中桿配合施測。野外采集的各管線特征點平面位置相對于鄰近控制點不大于±5cm，高程測量中誤差相對于鄰近控制點不大于±2cm。

3 結束語

實踐證明，利用管線探測儀探測地下管線時，直接法比感應法探測效果好，分辨能力強，追蹤距離遠，精度高。在管線密集地區盡量不采用感應法，用直接法和夾鉗法給目標管線施加發射機信號，選擇較低的發射機頻率降低信號的耦合能力，用峰值響應模式定位，70%法測深度，減少偏差，提高精度。如只能用感應法探測時，必須搞清被測管線附近有無其它管線，若有其他管線干擾，應采取措施避免信號轉移到其它管線上，利用感應法測定的埋深值誤差較大 ，應引起重視。采用管線探測儀與開井調查相結合，全球定位系統(GPS)、全站型電子速測儀進行解析法測繪和計算機輔助成圖一體化作業，同步建庫，可確保地下管線信息系統數據的現勢性和實現動態管理，以利于城市地下空間的綜合開發和合理利用，真正滿足地下管網現代化管理 的需要。

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