淺談城市地下管線探測中的地球物理勘探方法

文｜淮海工學院測繪與海洋信息學院 杜良；北京廣圖軟件科技有限公司 王勇

引言

隨著城市的發展，城市地下各種各樣的管線縱橫交錯，十分復雜，如何準確的確定管線的位置、走向和埋深是目前一個重要的難題。本文系統的介紹了各種地球物理勘探方法的基本原理和探測管線的適用條件，對管線探測方法的選擇具有重要的指導意義。

1、城市地下管線

城市地下管線錯綜復雜，按管線在城市中的用途，可將管線大體分為給水、排水管線、電力管線、工業管線、熱力管線、燃氣管線和電信管線。

按城市管線材質，可分為金屬管線和非金屬管線。

按有無管溝，可分為直埋管線和非直埋管線。通常給水、排水和燃氣為直埋管線，熱力、電力和電信管線既有直埋也有非直埋（溝道），電力和電信有的還具有管塊。

2、地球物理勘探方法

地球物理勘探方法探測城市地下管線物理前提是管線與周圍巖土體存在一定的地球物理性質（電性、磁性、彈性、熱性）差異，根據物性差異可分為電法、磁法、電磁法、地震波法和熱力學法。

2.1 直流電法

（1）電阻率法：以管線或管溝與巖土體之間的電阻率差異為基礎，利用電阻率法的原理，采用相應的裝置在管線或管溝上產生電阻率異常。該方法適用于探測管徑較大的金屬管線、非金屬管線、管溝或人防巷道，通常認為徑深比大于1:10，該方法能夠有效的探測管線。

（2）充電法：直流電源一端接金屬管線或電纜，另一端接地，在金屬管線或電纜周圍可以產生電場，根據電場的分布規律，可以確定金屬管線或電纜。該方法適用于探測具有金屬管線或電纜露頭的管線。

2.2 磁法

以金屬管線或金屬窨井蓋與周圍介質的磁性差異為基礎，利用磁法的原理，采用相應的裝置測量磁場，在管線或窨井蓋上產生磁性異常。該方法適用于探測磁性干擾較小的金屬管線或金屬窨井蓋。

2.3 電磁法

（1）被動電磁法

1）工頻法

以金屬管線或動力電纜與周圍介質的電性和磁性差異為基礎，利用動力電纜本身的電流或附近電纜、工業游散電流在金屬管線中感應電流產生電磁場，在金屬管線或電纜周圍產生異常。該方法主要適用于探測動力電纜或金屬管線，使用比較多的儀器為天然電場選頻儀。

2）以金屬管線與周圍介質的電性和磁性差異為基礎，利用甚低頻（5-25 Hz）無線電發射臺的電場在金屬管線中感應的電流所產生的電磁場，在金屬管線附近產生異常。該方法主要適用于探測金屬管線或電纜。該方法特點：操作簡便，成本低，效率高，但是精度低，不抗干擾，信號強度與無線電臺與管線的相對方位關系密切。我們國家常用的電臺：頻率為17.4kHz的日本NTD電臺；頻率為22.3kHz的澳大利亞NWC電臺；頻率為17.1kHz的莫斯科UMS電臺和頻率為17.8kHz美國NAA電臺。

（2）主動電磁法

1）管線探測儀

以金屬管線或電纜與周圍介質的電磁性差異為基礎，利用金屬管線儀發射天線發射電磁波，接收天線接收電磁波，在金屬管線或電纜附近產生異常。根據發射天線和接收天線的使用方法，可分為直接法、夾鉗法、電偶極感應法、磁偶極感應法和示蹤電磁法。

a、直接法：發射天線一端連接到金屬管線上，另一端接地或連接到金屬管線的另一端，利用發射天線在金屬管線上發射信號，接收天線接收加在金屬管線上的信號，來確定金屬管線。該方法主要適用于有出露點的金屬管線，可以確定管線的水平位置和管頂的埋深，或追蹤各種金屬管線。直接法信號強，定位定深精度高，易分辨相鄰管線，但管線必須存在出露點。

b、夾鉗法：利用管線探測儀所配專用夾鉗，夾在金屬管線或電纜上，通過夾鉗上的感應線圈把信號直接加到金屬管線或電纜上。本方法主要適用于直徑較小的金屬管線或電纜且有出露點，作定位、定深追蹤，能夠精確確定管線的水平位置和管頂的埋深。夾鉗法信號強，定位、定深精度高，易分辨相鄰管線，但必須有出露點，且管線必須小于夾鉗直徑，信號傳輸距離較近。

c、電偶極感應法：利用發射天線兩端接地形成電偶極子，并產生電磁場，在金屬管線中感應產生信號。該方法適用于接地條件較好的地區，用來尋找或追蹤金屬管線。電偶極感應法信號強，不需要出露點，但必須具有良好的接地條件。

d、磁偶極感應法：利用發射天線產生的一次電磁場，在金屬管線中感應產生二次電磁場。該方法適用于尋找金屬管線，可用于確定管線的水平位置和管頂的埋深，精度低于直接法和夾鉗法。磁偶極感應法發射、接收天線都不需要接地，該方法具有操作方便，效率高的特點。

e、示蹤電磁法：在非金屬管線內放入發射天線的示蹤探頭或電纜產生發射信號，用接收天線在地面追蹤非金屬管線內產生的信號。該方法可適用于有出入口的非金屬管線。能探測非金屬管線，但必須有出入口。

2）探地雷達法

以金屬或非金屬管線與周圍介質的介電常數差異為基礎，利用發射天線向地下發射106-109Hz的電磁波，電磁波遇到金屬或非金屬管線將產生反射，地面上的接收天線接收來自地下的反射波，根據反射波的特性來確定管線。該方法適用于探測一定直徑的金屬或非金屬管線和帶電的電纜，能夠確定管線的水平位置和管頂的埋深，通常探測深度為5m之內。該方法可以探測非金屬和金屬管線，也不需要管線有出入口。

2.4 地震波法

以管線與周圍介質的波阻抗差異為基礎，利用地震反射法（面波法）原理，應用相應的儀器測量管線周圍的彈性波場，在管線上產生異常。該方法適用于探測大直徑的金屬管線或非金屬管線（大直徑的非金屬管線）。通常，反射法探測深度較大，面波法探測深度較小，兩種方法能夠探測到圓管線的水平中心位置和管頂埋深。

2.5 熱力學法

以管線與周圍介質的熱性差異為基礎，利用相應測溫設備（紅外線測溫儀，地溫測量儀）探測管線附近一定范圍的溫度場，在管線上或周圍將產生溫度異常。該種方法適用于探測暖氣管道或高溫輸油管道，水管漏水。

3、結語

通過對直流電法、電磁法、磁法、地震波法和熱力學法的系統介紹，可以得出以下結論：

（1）地球物理方法能夠應用于探測城市地下管線。直流電法、電場法、磁法、地震波法和熱力學法都能夠應用于探測地下管線。

（2）不同的物探方法適合探測不同的管線。在選擇物探方法時，應根據不同的探測目的，結合各種物探方法的適用條件選擇探測方法。

（3）采用綜合物探法。由于物探存在多解性，為了精確的確定管線的位置、埋深和走向，避免物探的多解性，應根據探測管線的目的，結合物探方法的適用性，選擇兩種及以上的物探方法。