城鎮燃氣管網探測方法研究與實踐

姬　斌，夏 永，肖 婷

（1.成都華潤燃氣工程有限公司,四川 成都　610045；2.資中華潤燃氣有限公司，四川 內江　641200；

3.遂寧市明星自來水有限公司，四川 遂寧　629000）

城鎮燃氣管網探測方法研究與實踐

姬斌1，夏 永2，肖 婷3

（1.成都華潤燃氣工程有限公司,四川 成都610045；2.資中華潤燃氣有限公司，四川 內江641200；

3.遂寧市明星自來水有限公司，四川 遂寧629000）

城市燃氣是城市能源結構和城市基礎設施的重要組成部分，準確的燃氣管網三維坐標、埋深等信息是城市規劃、燃氣公司運營管理的重點內容之一.本文通過詳細闡述燃氣管網探查原理與方法、燃氣管網測繪技術與方法，以四川省彭州市為例，對燃氣管網探測涉及的控制網設計及數據處理、管網探測及內業數據處理等實證研究，就近距并行管線、深埋管線的探測方法等進行了探討，其結果對提高管網探測理論與技術，確保城鎮燃氣安全運營等具有重要意義.

燃氣管網；管網探測；鋼質管道；PE管道；地形測繪

城市燃氣是指用于生產、生活的天然氣(Natural Gas)、人工煤氣(Manufactured Gas)、液化石油氣(l iquef ied Natural Gas)等氣體燃料的總稱.城市燃氣是城市能源結構和城市基礎設施的重要組成部分.它為城市工業、商業和居民生活提供優質氣體燃料.它的發展在城市現代化中起著極其重要的作用.燃氣管網是城市燃氣輸配的重要基礎設施，隨著城市的不斷擴張而逐步敷設，準確的管道平面位置和埋深是燃氣公司運營管理、建立管網地理信息系統的重要基礎，可為燃氣施工（改建、新建）和地下管線敷設方式優化，促進地下管線的信息化動態管理等提供基礎.由于燃氣管網建設年代久遠，各種圖紙缺乏，因此，開展燃氣管網的探測和定位的研究對整個燃氣管道系統更有效、更安全地運行有重要意義.本文系統分析了城鎮燃氣管網類型及其探查、測繪方法，在此基礎上，以某城鎮燃氣管網探測為實例，詳細介紹了城鎮燃氣管網探測的技術流程，其結果對促進燃氣管網探測技術具有重要意義.

1　城鎮燃氣管網探測方法

根據燃氣管網的材質，可分為金屬(鋼管、無縫鋼管、焊接鋼管、鑄鐵管、鍍鋅管)管線和非金屬（PE）管線兩大類.城鎮燃氣管網探查方法主要有電磁法（頻率域電磁法、時間域電磁法）和電磁波法（探地雷達法）、磁法、地震波法（反射波法和瑞雷波法）、直流電法和紅外輻射法.其中頻率域電磁法和電磁波法是地下管線定位定深的主要技術方法，一般而言探查非金屬管線主要采用電磁波法，探測金屬管線主要采用頻率域電磁法.

1.1頻率域電磁法

1.1.1探測原理

磁法是探測地下管線重要的一種物探方法，主要是根據地下管線與周圍介質的導電性及導磁性差異為基礎.根據電磁感應原理借助儀器觀測電磁場的變化，確定電磁場的空間與時間分布規律，從而達到探測地下金屬管線或解決其他地質問題的目的。探測原理如圖1所示.

圖1　電磁法工作原理示意圖

圖2　管線探測儀示意圖

在金屬管道的出露處或正上方，放置管線探測儀的發射機，發射機發射頻率可根據工況予以調節，操作人員沿著垂直于管線走線方向尋找電磁波信號，根據信號峰值或谷值確定管線平面位置.

1.1.2探測儀器

地下管線探測儀是由發射機、接收機組成.如圖2所示，發射機由發射線圈及電子線路組成，通過感應、直接、夾鉗等方式向管線施加一特殊頻率的信號電流.根據電磁感應原理，電流在沿著金屬管線傳播時，在管線周圍形成交變的磁場，其強度、導體周圍介質的導電性、導體的電阻率導體與一次場源的距離有關.根據施加信號的方式不同，電磁感應法分為直接法、夾鉗法、感應法和示蹤法.接收機由接收線圈、相應電子線路和信號指示器組成.項目用英國雷迪公司RD8000管線探測儀相關技術指標如下：

①靈敏度：6E-15Tesla,5μA1米處?(33Hz)

②動態范圍：140dBrms/Hz

③選擇性：120dB/Hz

④深度準確度：直連：0.1-3米誤差為±2.5%；探棒：0.1-7米誤差為2.5%

⑤最大深度*：管線為6米，探棒為18米

⑥定位精度：±2.5%

1.2電磁波法（探地雷達法）

電磁波法又稱探地雷達法（Ground Penet rating Radarmethod簡稱GPR法），是利用超高頻的電磁波探查地下介質分布的一種地球物理探查方法.這種方法可以探查地下的金屬和非金屬目標.探地雷達法主要是利用介質間的介電性、導電性、導磁性差異進行探查，常見介質的物理參數見表1所示.

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從表1中可以看出，金屬的相對介電常數非常強，電磁波穿透不了金屬就形成了全反射。而土壤的介電常數與塑料粒、PE顆粒、PP顆粒介質不同，它們之間就會發生電磁波反射。利用這一特性，就可以通過雷達波形較好地確定出非金屬管線。探地雷達的工作原理如圖3所示.

圖3　地質雷達工作原理圖

在探測時，發射天線與接收天線非常接近，甚至將發射天線與接收天線合在一起.因此，發射天線的邊界到所測管線頂部的距離約等于管線與土層介質邊界到地面接收天線的距離.從天線到地下目標的距離隨著天線的移動，不斷地變化.如圖3所示，XN,…，X0,…，X,N,為目標正上方位置到天線的水平距離，dN,…，d0,…，dN是對應位置探測的管線深度.雷達是通過測量信號從發射天線發出至信號到達目標的傳輸時間，再利用電磁波在介質中的傳播速率即可計算出天線至目標的距離。雷達波的穿透深度主要取決于地下介質的導電率和天線頻率。導電率越高，穿透深度越小，天線頻率越高，

穿透深度越小，分辨率越高，反之亦然。

2　城鎮燃氣管網測繪方法

管網測繪分為控制測量和碎部測量、內業數據處理三大部分。

2.1控制測量

平面控制測量是在城市等級控制網的基礎上進行加密，其方法主要有GPS控制測量、三角測量、導線網測量和交會測量等方法。

高程控制測量是在城市高程控制網的基礎上進行加密，常用的方法主要有水準測量、三角高程測量、GPS高程測量等。

2.2碎部測量

通過碎部測量采集探查出來的管線及其附屬設施三維坐標及其埋設等信息，根據項目需要，有時還需測量出管線周圍帶狀地形圖或重要參照物，其常用的方法有全站儀數字地形測繪、GPS-RTK法等。GPS-RTK（實時動態測量系統）是GPS實時差分測量技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統。其思想是在基準站上設置一臺GPS接收機，對所有可見的導航衛星（GPS衛星、北斗衛星、GLOMSS衛星、Gal i leo衛星）進行連續觀測，并實時地將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準站坐標等用無線電設備或手機網絡信號傳輸給移動站.移動站通過接收基準站所發射的信息，將載波相位觀測值實時進行差分處理，得到基準站和移動站基線向量(△x,△y,△z)；基線向量加上基準站坐標得到移動站每個點的WGS-84坐標，通過坐標參數轉換得出移動站每個點的三維坐標并計算出其單點精度.

2.3管線測量內業數據處理

管網圖是管線探測的主要成果資料，通過野外采集數據借助南方CASS軟件平臺和金迪管線處理系統可以清晰明了地將管網呈現在電子地圖中，便于長期保存和檢查更新，同時也會生成Access數據庫文件和標準管線探測成果表.管網圖主要包括管線的空間坐標信息和相對管線周邊的地類地物信息作為參考.為了方便統一管理，管網圖的繪制需要使用統一的符號系統和比例尺系統.

一般規定，管網圖主要包括以下內容：管線、管線上的附屬物和建（構）筑物、鐵路，道路，河流，橋梁、測量控制點和圖廓、圖飾.地下管線圖內應注記管線的規格、材質、壓力等屬性.

3　工程實踐

3.1研究區概況

彭州市隸屬四川省成都市21個區（市）縣之一，位于龍門山脈以南，成都平原北部，介于東經103°10ˊ～103°40ˊ、北緯30°54ˊ～31°26ˊ之間，全市幅員面積1421平方公里，下轄天彭鎮、龍門山鎮等18個鎮，各個鎮均有燃氣管網分布.境內地貌類型大體屬四川盆地亞熱帶濕潤氣候區的“盆地北部區”，純平原區423平方公里，平原丘陵混合334平方公里，丘陵山地混合664平方公里.區內交通發達，省道105、省道106、成彭高速、彭郫路、石化大道、牡丹大道、湔江路、彭溫路、彭白路等高等級快速路，以及各鄉鎮公路、村級公路可為燃氣管網探測提供交通便利，研究區內已有高等級GPS控制點4個，水準點6個，可作為燃氣管網測繪平面、高程控制網的起算點.

3.2技術流程

通過分析研究區燃氣管網分布，以及已有控制點情況，主要研究內容包括控制網建立、外業管網探查及數據采集、內業數據處理、探測質量檢查等四個方面，其主要技術流程如圖4所示.

圖4　燃氣管網探測技術流程圖

①已有基礎資料收集.收集研究區已有平面控制點、高程控制點坐標，已有管網竣工資料等基礎圖件，地形圖、交通圖等基礎資料，供野外踏勘、控制網設計、管網探測時作為參考資料.

②平面及高程控制網設計.根據項目平面精度、高程精度要求和已有控制點分布情況，分別設計GPS控制網，高程控制網.

③外業踏勘及控制網選點.外業踏勘、檢查已有控制點的完好情況，并根據設計點位略圖，選好控制點位置，并造標埋石、編號，供控制網觀測時使用。

④控制網測量及數據處理.按照D級GPS控制網進行布網，四等水準測量進行高程控制網布設，觀測后，分別用HDS2010及平差易軟件進行控制點解算及平差處理。

⑤燃氣管網探查.根據已有管網竣工圖、管網巡線員帶線和調壓器、伐井的分布情況，通過直連、感應等方式查明地下管線平面位置及埋深，并做好標記、繪制好草圖.

⑥燃氣管網及附屬設施測繪.根據管網探查確定的點位標記，采集管線點，特征點及附屬設施（閥門、調壓箱、調壓柜、三通、彎頭、變徑點、變材點等）的三維坐標.

⑦燃氣管網內業數據處理.根據外業測量數據，繪制燃氣管網圖，并制作燃氣管網數據表，包括管點表、管段表、閥門信息表等.

⑧內外業數據精度檢查.根據內業繪制成的圖，在圖、表上進行管線連接邏輯關系檢查、高程、平面坐標等標注檢查，在此基礎上，外業開挖，對管網埋深、平面位置精度予以驗檢查.

⑨數據資料檢查驗收.根據合同要求，整理內業數據資料、自檢資料等，提交驗收.

3.3技術標準及要求

一般采用同精度重復測量管線點坐標和高程的檢查方式，統計管線點的點位中誤差和高程中誤差.地下管線圖測繪精度的檢查：地下管線與鄰近的建筑物、相鄰管線以及規劃道路中心線的間距較差不得大于圖上±0.5mm.

①地下管線圖的質量檢驗應符合下列規定：

a.管線無遺漏，管線連接無錯誤；

b.各種圖例符號、有關注記和注記格式無錯誤；

c.圖幅接邊無遺漏、無錯誤，圖廓整飾符合要求.

②探測精度要求

a.地下隱蔽管線點的探查精度：水平位置限差δts=0.10h；

b.埋深限差δth=0.15h。當h<100cm時，則以100cm代入計算.

c.地下管線點的測量精度：平面位置中誤差ms (相對于鄰近控制點)不得大于±5cm；

d.高程測量中誤差mh(相對于鄰近高程控制點)不得大于±3cm.

3.4主要成果及精度評定

按照上述工程技術流程，通過外業測繪、內業成圖，得到研究區管網探測成果1000余公里，部分成果圖如圖5所示.

圖5　管網探測成果圖

表2　管線點成果表

②精度評定

通過外業開挖，量取管線中心到固定參照物的距離，與圖上距離予以比對后，計算相對精度.通過儀器現場測量管線點坐標，與前期測量坐標予以比對，計算絕對坐標，開挖后量取管頂距離地表的距離即為實際埋深，和儀器探查的埋深予以比對即可得到埋深誤差.

根據誤差傳播規律，管線點位水平中誤差為：

式中：n為探測點數，為探測點位的水平距離和實際開挖的管線水平距離之差,為差值的平方和.已探測350組數據，計算得為8.35cm.埋深中誤差為8.48cm，滿足規范要求.

4　結論與討論

本文在探討城市燃氣管網探查、測繪技術方法的基礎上，以四川省彭州市為例，探討了城鎮燃氣管網探測的技術流程、外業探查測繪、內業數據處理、檢查與精度驗證的方法，得到結論如下：

（1）根據頻率域電磁法，可較好地實現城鎮金屬管線的平面、埋深定位，而直接法、夾鉗法、感應法和示蹤法的選擇，需根據探測條件予以確定.

（2）由于頻率域電磁法需要探測管道具有導電、導磁性，城市燃氣PE管道由于其不導電、不到磁，通過地質雷達探測結合圖像處理技術，可實現PE管的探測.

（3）城市燃氣管線僅是城市管網的一部分，城鎮管網探測面臨的情況復雜，在以儀器設備探測為主的同時，也需要探測人員的經驗、巡線人員等予以輔助，從而提高管網探測的精度.管網探測圖的繪制需要使用統一規范的符號系統和比例尺.

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責任編輯：張隆輝

TU996.9

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1672-2094（2016）04-0180-04

2016-06-12

姬斌（1981-），男，河南信陽人，成都華潤燃氣工程有限公司工程師.研究方向：燃氣工程及技術管理工作.