基于電磁感應法的地下金屬管線探測研究

湯慧強

摘 要：地下管線空間屬性的收集和建立已成為制約城市地下空間開發利用的重要因素，本文以電磁感應法在地下管線探測中的應用為研究對象，探討了電磁感應法的原理及探測方法，進而分析了平面位置和埋深的確定方法，在此基礎上，論文結合湖南某市典型應用案例，探討了采用直接法、夾鉗法和感應法進行管線探測的結果，結果表明，采用 70%法、50%法結合直讀法進行定深，探測效果良好。經第三方監理開挖驗證，成果符合規范要求，質量優。論文提出的相關方法和思路，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：電磁感應法 地下管線 位置 埋深

中圖分類號：TM15 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0053-02

隨著城市建設的深入發展對地下空間開發利用的需求不斷增長。地下設施的數量、體量不斷上升，尤其是“十二五”以來中心地區發展城市交通設施、城市防災設施、城市綠地、架空線入地等項目在全國大中型城市全面鋪開，地下空間建設令人矚目。與此同時，在中心城區已經形成與地面空間緊密相連，以交通基礎設施建設為主線的地下空間開發利用基本格局。大量信息、電力、燃氣、排水等市政公用管線或進行地下鋪設，或改遷入地，地下管網種類越來越多、管網鋪設越來越復雜，人們在享受地下管網帶來的舒適便捷的同時，也不斷地碰到因管線資料不準確而造成的建設事故、維修改造困難等問題。

因此，地下管線空間屬性的收集和建立便成為制約城市地下空間開發利用的重要因素，利用現有的物探手段在不破壞現狀環境的前提下，確定管線及其附屬設施的空間形態、位置已成為現今物探行業的熱點課題。

1 電磁感應法原理及方法

1.1 探測原理

電磁感應法在地下管線探測中的應用原理，主要是利用地下管線與周圍介質導電性及導磁性的差異，通過觀測和研究電磁場空間與時間分布規律，從而達到尋找地下管線的目的。

即，已知地下管線一般敷設在地表以下、15m以內的淺表土層中，且由于表土層一般無磁性，其電阻率在幾歐姆米至幾十個歐姆米。同時，金屬或電力管線具有中等以上強度的磁性，其電阻率一般為m，具有較好的導電性和導磁性。由此可見，地下管線與其周圍介質存在著明顯的電性、磁性差異。因此，根據電磁感應原理，理論上能夠探明地下金屬管線的分布狀況。

1.2 探測方法

根據探測原理，電磁感應法可分為被動源法和主動源法兩種，其中主動源法是常規探測中的主要方法。

（1）被動源法。

被動源法主要是利用天然電磁場的變化來確定目標體的位置和深度。該方法具有一定的局限性，要求天然電磁場存在較大的差異性，主要應用于淺部電力等管線的探測，在深部電力或金屬管線探測中應用極少。

（2）主動源法。

主動源法，顧名思義就是通過一些必要的手段對目標管線及周邊環境施加一定頻率和適當強度的交變電磁場，該電磁場稱之為“一次場”。根據電磁感應定律，由于“一次場”磁通量的大小、方向不斷變化，使目標管線及其周邊環境均產生感應電流，其電流大小與磁通量的變化率成正比，頻率與“一次場”相同，且以電磁原點向四周發散傳播。該交變感應電流在傳導過程中，會產生相同頻率的交變電磁場，即形成所謂二次交變電磁場。

由于目標管線的磁通量遠大于周邊環境，所以交變電流能夠傳播得更遠、能量更強。同理，與周邊環境相比，管線所感應產生的二次場傳播得更遠、強度也更強。理論上，探測點與電磁原點距離大到一定程度后，該差異就應該能夠被檢測到，且場強差異會隨著距離的增加先增大后減小、直至二次場衰減消失。

若應用相應的接收裝置觀測該特定頻率的二次場，便能通過磁測差異來最終確定目標管線的空間形態，達到探測地下管線之目的。根據探測方式的不同，主動源法包括直接法、夾鉗法、感應法，詳見如下。

①直接法。

主要利用地下管線出露點，如閥門、檢修井、各種表具箱等，使目標管線能夠直接感應特定頻率的交變電磁場。該方法的特點是管線的感應電磁場強度增大了，差異也被放大了；其缺點是只能探測有出露點的管線，探測目標較小。

②夾鉗法。

主要利用特制的夾鉗，將目標管線模擬成發射機延展的一部分，令交變電磁場直接施加到管線上。其特點是二次場的差異理論上最大化了；其缺點是要求管線的尺寸較小（便于夾鉗夾套），且存在環繞空間。具體方法為，通過夾鉗直接將發射機延長線夾套在目標管線上，而后觀測該二次場信號并分析其特征，即能確定地下管線的空間形態。該方法常用于探測小口徑管徑的管線，例如電力、電信等。

③感應法。

感應法應名可知，其是主動源法理論應用，其方法是在目標管線上方（或附近）放置有交變電流通過的發射線圈，產生一次場、并感應生成二次場；而后觀測該二次場信號并分析其特征，從而達到尋找地下管線的目的。該方法特點是理論上可探測所有種類的地下管線，對管線的鋪設方式、現狀要求較低，常用于盲探管線、確定管線走向等。其缺點是對環境場要求較高，復雜管線探測的精度需要多種方法檢測。

2 位置及埋深的確定

電磁感應法即為通過發射機在目標管線上施加1個交變電流信號，該電流信號在沿管線傳輸過程中，會在管線周圍產生1個交變的磁場，其大小為I=K×I/k，方向為等勢圓周上的切線方向。

若將該磁場分解為1個水平方向的磁場分量和1個垂直方向的磁場分量，通過矢量分解可知，在目標管線的正上方時水平分量為最大，垂直分量為最小，且該量的大小皆與管線的位置和深度呈一定的比例關系。因此，通過測量水平分量和垂直分量的大小，就能準確地對地下管線進行定位和測深。

2.1 平面位置的確定

（1）極大值法：極大值法是用垂直線圈測量電磁場的水平分量，由于地下管線形成的二次場水平分量在其正上方最大，所以在管線的正上方地面投影位置上出現極大值。

（2）極小值法：極小值法是用儀器水平線圈測量電磁場的垂直分量，由于地下管線形成二次場垂直分量在其正上方等于零，所在地下管線正上方地面投影位置出現極小值。

在野外實地定深時，上述兩方法應結合使用，即先用極大值法找到管線的大致位置（極大值法異常易被發現），再用極小值法校準定位。

2.2 埋深的確定

地下管線主要采用直讀法和特征點法來確定其埋深，其中直讀法探測要求環境場比較單一，不然根據場的復雜程度定深會存在一定誤差。精確定深中常根據現場情況多種方法綜合運用，例如直讀法結合45°法、70%法結合 50%法等。

（1）直讀法：原理是利用上下兩個線圈測量目標電磁場的梯度，由于電磁場的梯度僅與目標體埋深有關，即可換算出管線埋深。

（2）特征點法：具體可分為70%法、50%法及45°法，其中70%以其通用性被廣泛應用。

（3）70%法：先用垂直線圈極大值法定位，然后仍保持接收機的垂直狀態，沿管線兩側法線方向移動，尋找兩側幅值為定位點最大幅值的70%的兩點，該兩點之間的距離等于地下管線的中心埋深。

（4）50%法：同70%相同，先用垂直線圈極大值法定位，然后仍保持接收機的垂直狀態，沿管線兩側法線方向移動，尋找兩側幅值為定位點最大幅值的50%的兩點，該兩點之間的距離等于地下管線中心埋深的2倍。

（5）45°法：先用極小值法（即波谷法）精確地標出管線的位置，把接收器的底端放在地面上，使得接收器傾斜至 45°角，然后仍保持接收機的傾斜狀態、沿管線法線方向移動，當Hx指示為零時，接收器底部所指地面位置與管線距離，便是管線的埋深。

3 典型案例

為適應城市的發展及建設信息化、數字化城市的需要，經湖南某市政府批準，該市決定對主城區內的城市道路地下管線進行全面探測，同時進行管線信息管理系統建設和動態更新管理系統建設。探測面積約570km2，探測完成各類管線長度約23000km。

本次探測主要采用直接法、夾鉗法和感應法進行管線探測，常規采用極大值結合極小值法進行定位，采用70%法、50%法結合直讀法進行定深，探測效果良好。經第三方監理開挖驗證，成果符合規范要求，質量優。部分典型圖件詳見圖1。

4 結語

電磁感應法是常規管線探測中主要應用的方法，但其也具有一定的局限性，如對環境場要求較高，不能一勞永逸地解決所有地下管線探測中遇到的問題；對于新材料非金屬管線、例如PH、PVC 等還無法做到定位定深，往往需要其他輔助手段，例如鋪設輔助測線、單向供電等來進行探測；對于深度大于8m（環境場較差時，深度大于5m）的深大管線，理論上還存在技術缺陷，定深定位存在一定的難度，誤差也比較大；對于多條并行、交錯的復雜管線，其往往要靠不斷變換探測方式來減少多解性，提供探測精度。相信在未來，隨著國家“十三五”計劃對城市管網普查的要求，地下管網探測將迎來更大的發展，從理論基礎、數理模型，到探測方法、儀器研發等都會有長足的進步。

參考文獻

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