聯合探地雷達和管線儀反演技術在平行地下管線探測中的應用

趙永峰,李衛東,柳俊敏

(山東正元地球物理信息技術有限公司， 濟南 250101)

用管線儀探測金屬管線時，往往會探測到平行地下管線，由于其間距小于2倍埋深，電磁場相互感應和疊加，故接收機分析的信號是幾條管線的疊加信號，無法準確探測出每一條管線的位置，存在較大誤差。采集2條管線磁場水平分量進行反演，由于地球物理反演具有多解性，其結果不是唯一的，所以單一的物探方法具有局限性，需要聯合其他物探方法進行反演。

探地雷達法也是管線探測的常規方法之一，可以彌補管線儀的不足，其除了能探測非金屬管線外，對平行管線的定位也較為準確，但由于地下介質復雜，不同深度、不同位置的波速都不一樣，故定深存在較大誤差。因此，利用管線儀和地質雷達采集初始數據，通過計算機反演模塊進行反演，可以最大限度地利用兩者的優點，真實地反映出地下管線的具體位置，提高探測精度。

1 聯合反演方法

1.1 地下管線探測原理

1.1.1 管線儀探測金屬管線原理

一般采用電磁法對金屬地下管線進行探測，主要使用的儀器是管線儀，發射機向地下發射諧變電磁波，形成一次場，一次場使金屬管線產生感應電流，在管線周圍產生二次場，通過在管線上方的接收機接收二次場信號，分析其分布特征，從而可以確定地下管線的位置。以RD4000管線儀為例，接收機測量并經過內部程序處理后得到磁場的水平分量為ΔHx，用極大值法對管線進行定位，用70%法對管線進行定深。管線ΔHx曲線及其定位、定深方法如圖1，2所示(x為管線距離測線起點的距離，h為管線埋深)。

圖1 管線ΔHx曲線及極大值法定位示意

圖2 管線ΔHx曲線及70%法定深示意

1.1.2 地質雷達探測管線原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波[1]，電磁波信號在介質內部傳播遇到界面時，就會產生反射、透射和折射[2]。反射的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后[3](見圖3，圖中d為兩接收天線間的距離，z為地面到介質界面的距離，v為電磁波在介質中的波速)，由雷達主機精確記錄下反射回來的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面掃描圖[4]。工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況[5]。

圖3 探地雷達的工作原理示意

1.2 兩條平行管線信號異常的特征

當地下兩條管線間距離較近,即小于2倍管線埋深時，其產生的二次場相互疊加，很難分辨各自的峰值(見圖4，圖中II,III分別為兩條管線各自的ΔHx曲線)，圖中兩條平行管線磁場同向，疊加后的ΔHx曲線為I，只有1個明顯的峰值，按此峰值計算的管線平面位置和埋深精度很差。

圖4 兩條相鄰平行管線的ΔHx理論曲線及其疊加曲線

圖5 兩條相鄰平行管線的ΔHx曲線及其特征量

1.3 管線儀反演法

利用管線儀采集2條平行地下管線的數據，繪制成如圖5所示的疊加ΔHx曲線，若想準確求出管線1的平面位置和埋深，必須消除管線2磁場的影響。在a點處管線1的磁場水平分量為

ΔHxa1=ΔHxa-ΔHxa2

(1)

式中:ΔHxa為管線1和管線2在a點處疊加的磁場水平分量；ΔHxa1為管線1在a點處的磁場水平分量；ΔHxa2為管線2在a點處的磁場水平分量。

ΔHxa為已知，只需求出ΔHxa2，即可求ΔHxa1。a點與b點到管線2的距離相等，b點與c點到管線1的距離相等，因此

ΔHxa2=ΔHxb2

(2)

ΔHxc1=ΔHxb1

(3)

ΔHxb2=ΔHxb-ΔHxb1

(4)

ΔHxc1=ΔHxc-ΔHxc2

(5)

式中:ΔHxb為管線1和管線2在b點處的疊加磁場水平分量；ΔHxb1為管線1在b點處的磁場水平分量；ΔHxb2為管線2在b點處的磁場水平分量；ΔHxc為管線1和管線2在c點處的疊加磁場水平分量；ΔHxc1為管線1在c點處的磁場水平分量；ΔHxc2為管線2在c點處的磁場水平分量。

由以上各式可以得到

ΔHxa1≈ΔHxa-ΔHxb+ΔHxc-ΔHxc2

(6)

ΔHxa，ΔHxb，ΔHxc為已知數，只有ΔHxc2為未知數，由于c點距離管線較遠，數值小且變化不大，對整體異常曲線的影響很小，所以可以根據磁異常數據預估其值，成為修正系數。按此方法可以求出管線1的近似磁場水平分量，利用極大值法和70%法即可以確定管線1的平面位置和埋深。同理，可求管線2的位置和埋深。

由上述分析可以看出，要想精準地求出2條管線各自的ΔHx，須確定2條管線的平面位置，筆者使用地質雷達準確地探測出2條管線的平面位置，引入綜合地球物理反演思想，利用管線儀實測的ΔHx和地質雷達探測的數據進行反演解釋，將這兩種方法作為約束條件，相互約束。聯合反演成像的步驟如下所述。

(1) 把實測的2條管線疊加的磁場水平分量數據和地質雷達探測的2條管線的平面位置數據輸入計算機反演程序中。

(2) 反演程序初步計算出2條管線各自的近似磁場水平分量，并畫出其ΔHx曲線，然后計算2條管線的埋深。

(3) 程序自動利用2條管線的平面位置和埋深，通過正演程序計算模擬出各自的ΔHx曲線和疊加ΔHx曲線，將正演出的ΔHx曲線與實測ΔHx曲線進行擬合分析。如果擬合誤差滿足給定的精度要求，就將這2個埋深作為管線的最終埋深；否則程序自動返回步驟(1)，自動微調兩條管線的平面位置后再次進行反演計算，直到擬合誤差滿足要求。

該Zygxfy反演軟件系統基于AutoCAD下的AutoLISP語言編程，導入管線實測ΔHx數據和地質雷達探測數據后，系統提供全自動計算推演功能，具有可視化功能和操作簡單方便等特點。

2 試驗分析

試驗對象為兩條管徑為300 mm的鋼管，埋深分別為1.43 m和1.96 m，位于4.35 m和6.12 m處，把管線初始數據輸入Zygxfy程序中，得到兩條管線疊加ΔHx曲線(見圖6)。由圖6可知，疊加ΔHx曲線只有1個峰值，位于4.55 m處，埋深為1.76 m,相對于管線1的平面誤差為0.2 m，埋深誤差為0.33 m，精度超差。修正后的管線1和管線2的磁場水平分量ΔHx曲線與理論曲線基本重合，程序自動計算出2條管線埋深，分別為1.44 m和1.96 m，誤差很小。

圖6 兩條相鄰平行管線的疊加ΔHx曲線及其程序分析結果

由試驗結果可以看出，當兩條管線平面位置用探地雷達確定后，通過管線反演程序可以準確地確定管線的埋深。

3 工程應用

在某地下管線普查工程中(工程應用1)，有許多近間距平行管道，利用聯合探地雷達和管線儀反演技術對其進行定位和定深，取得了良好的效果。探測工程中有兩條給水管道管徑分別為600 mm和500 mm，由于相距較近，管線儀無法準確探測出其平面位置和埋深。利用探地雷達探測出這兩條管道距離探地雷達測線起點距離分別為1.75 m和2.45 m,探地雷達剖面圖如圖7所示(箭頭所指即為管道管頂位置)，把這兩條管道的距離和實測的疊加磁場水平分量數據輸入到Zygxfy反演軟件系統中，經計算得到如圖8所示的平行管道ΔHx曲線，從圖8可以看出，疊加ΔHx曲線只有1個峰值，無法判斷出兩條管道的位置和埋深，但2條管道修正后的ΔHx曲線各自有1個峰值，通過軟件計算自動得出兩條管道相距0.7 m，埋深分別為1.27 m和1.11 m，經開挖驗證，兩條管道的平面位置誤差為0.05 m,埋深分別為1.22 m和1.03 m,誤差分別為0.05 m和0.08 m,精度符合國家規程要求。

圖7 兩條管道的探地雷達剖面圖(工程應用1)

圖8 兩條相鄰平行管道的疊加ΔHx曲線及其程序分析結果(工程應用1)

又有另一探測工程(工程應用2)，2條管道距離較近，分別為給水和煤氣管道，兩條管道的雷達剖面圖如圖9所示，距離雷達測線起點位置分別為6.62 m和8.42 m。利用管線儀反演程序得出兩條管道的ΔHx曲線(見圖10),經反演程序計算得到的兩條管道的平面距離與地質雷達探測的結果吻合，埋深分別為1.50 m和1.30 m,經開挖驗證，兩條管道的平面位置分別為6.60 m和8.47 m,埋深分別為1.42 m和1.35 m，平面誤差分別為0.02 m和0.05 m，埋深誤差分別為0.08 m和0.05 m,精度符合國家規程要求。

圖9 兩條管道的探地雷達剖面圖(工程應用2)

圖10 兩條相鄰平行管道疊加ΔHx曲線及其程序分析結果(工程應用2)

4 結語

當兩條金屬管線間距較近，可以聯合探地雷達和管線儀反演技術確定其準確位置。通過工程實例驗證，該方法精度較高，平面精度一般在0.1 m以內，埋深誤差小于0.15 m，符合國家規程要求，可以應用在管線探測工程中。