感應法與直連法在隱蔽金屬管道探測中的聯合應用

周 江，潘劍偉，呂 勇，楊 洲，張成麗

(1.貴州大學 資源與環境工程學院，貴陽 550025) (2.貴州省黔西南布依族苗族自治州設計院有限公司，興義 562400)

管道已經成為城市發展中資源運輸的主要載體[1]。對地下水、電、氣等管道的準確定位對于城市管理與發展顯得至關重要[2-3]。部分建筑物建造年代較為久遠，地下管道的規劃布置圖等資料已損壞或丟失，導致建筑物的改造存在很多困難[4]。為了避免對地下管道造成損壞，在建筑物施工前需要對規劃場地地下管道的走向、位置進行探測[5]。地下管道按物理性質可大致分為金屬管道與非金屬管道。因為地下金屬管道或銅、鋁質電纜與周圍的物質媒介存在明顯的電磁性差異，所以可以利用電磁感應原理來對其進行探測，主要方法有感應法、夾鉗法、直連法等[6-7]。

尹燕京等[8]指出感應法適用于盲探，盲探易受臨近管道干擾且信號不穩定；直連法適用于非盲探，不易受臨近管道信號干擾且信號強。不同物探方法的勘探效果不一樣，為了精確定位管道的位置，避免多解性，在實際工程中，勘探人員通常會綜合利用兩種或多種物探方法來相互補充驗證結果[9]。楊向東[10]采用直連法和感應法探明了東莞市科技大道地下金屬管道的分布，保障了道路改造施工安全；張燕平等[11]利用感應法與直連法等探測方法對油田進行二次勘探，說明了物探方法對油田地下管網定位的有效性；林雄[12]采用感應法和直連法探測得到地下管道資料，為地鐵的線路設計和施工提供了重要依據。綜上所述，結合直連法與感應法對地下金屬管道進行探測，可得到較準確的地下管道資料。

文章首先對載流管道的電磁響應信號進行了數值模擬，然后通過場地試驗對直連法中單、雙端不同連接方式下響應信號的特征進行了分析；最后通過某發電廠金屬供水管道探測的實例說明了感應法與直連法聯合使用的效果，為地下隱蔽金屬管道的探測工作提供了一種思路。

1 探測原理

頻率域電磁法是目前探測地下管道常用的方法之一[13]。在探測金屬管道時，發射機向外發送諧變磁場，目標體在一次磁場的激發下產生二次電場，交變的二次電場產生的二次磁場被接收機接收，檢測人員通過分析接收磁場的分布可以確定地下管道的位置[14]。根據一次電磁場的來源，頻率域電磁法分為主動頻率法和被動頻率法。主動頻率法即直接將信號通過直連或感應的方式轉移到金屬管道上，而被動頻率法主要利用自然電磁場的變化來確定管道的位置。根據信號施加方式的不同，主動頻率法又可分為感應法、直連法、夾鉗法[15]。文章主要討論主動頻率法中感應法與直連法的探測理論與實際運用。

1.1 感應法探測

采用感應法進行金屬管道探測時，將管道探測儀的發射機放置在目標金屬管道的正上方，信號發射方向與管道延伸方向一致，利用接收機沿管道方向探測二次磁場，正常情況下，信號越強說明探測儀越接近管道位置。根據接收信號的強弱，可推斷出管道的位置[16]。感應法的探測原理如圖1(a)所示。

1.2 直連法探測理論

圖1 感應法與直連法探測原理示意

采用直連法探測時，直接將發射信號的電極接在被測管道上，并向管道供電。直連法又分為單端直連和雙端直連。一般在有管道出露點的情況下，單端直連法將管道探測儀接地電纜的正極與出露點相接，負極接地，連接導線應盡量垂直于目標管道[見圖1(b)]。雙端直連法將管道探測儀接地電纜的正負極均接在同一根金屬管道的出露點上，其連接導線必須盡量遠離目標管道，防止信號干擾[見圖1(c)]。

2 數值模擬

2.1 載流長直金屬管道的磁場分布

當所測管道在水平剖面的距離大于管道埋深的5倍時，即可將該導線視作無限長直導線，此時磁場強度H的計算公式為

(1)

式中：I為金屬管道載入的電流；r0為接收器至金屬管道圓心的距離。

對無限長直導線附近某一點的磁場強度沿水平方向和垂直方向進行分解(見圖2)，記x為接收點到管道的水平距離，h為被測管道埋深，可得到磁場水平分量Hx和垂向分量Hz為

(2)

(3)

圖2 地下金屬管道的磁場分解示意

2.2 無限長直導線電磁響應信號的數值模擬

圖3 不同埋深、不同載流管道的電磁響應曲線

響應曲線的特征如下所述。

(1)Hx曲線的異常幅度大，極大值正好對應于管道的上方位置，但該點斜率為0，異常范圍較窄。Hz曲線在管頂位置處為極小值，管道兩側存在極大值，且關于管道對稱；當x趨于無窮大時，響應值逐漸減小。

(2)Hx與Hz的大小與電流呈正相關，當x和h不變時，電流越大，響應值越大。

(3)Hx與金屬管道埋深相關，當I與x不變時，埋深越大，響應值越小。

3 單端直連法與雙端直連法的物理模擬

3.1 單端直連法與雙端直連法的探測效果

選取某管道1，2號出露點為研究對象，兩出露點距離為86 m，管道埋深為1.2 m，試驗儀器為TAM-3000型光電纜路由探測儀及配套的數字式多頻接收機。參數設置均為直連模式下的低頻、低檔，增益為40 dB。1號出露點連接充電端正極，分別在單端直連和雙端直連方式下，在管道正上方每隔5 m利用數字式多頻接收機接收并記錄一次信號數據。

圖4 單雙端直連法的物理模擬結果(40 dB)

圖4為增益為40 dB時單端、雙端直連法的物理模擬結果，可見，單端直連法下，離充電端距離越遠，接收到的信號強度越弱；雙端直連法下，遠離充電端點處的信號也會降低，兩個充電端點中間約45 m位置處接收的信號強度最弱。

單端直連法與雙端直連法輸入電流的回路不同，雙端直連法外部連接線與金屬管道構成了明顯的電流回路，電流主要集中在金屬管道中；單端直連法沒有形成明顯的電流回路，輸入的電流大部分經大地傳導而向四周擴散，所以雙端直連法的響應信號要強于單端直連法的，即使信號最弱的中間部位響應信號的幅值也比單端直連法的大上許多。這也側面說明了雙端直連法在管道沿線的探測效果好過單端直連法的。

3.2 不同增益條件下單端直連法的探測效果

圖5 兩種增益下單端直連法的物理模擬結果

為了進一步研究增益對單端直連法探測效果的影響，利用管道1號出露點設計了增益分別為40，50 dB的探測試驗，其他參數設置與3.1節的相同。

圖5為兩種增益情況下單端直連法的物理模擬結果，可見，僅在探測點與充電端距離較小時，不同增益的探測信號強度之間存在較大差別,隨著接收信號點與充電端距離的增大，二者接收信號的強度差逐漸減小。從該現象上看，當沿管道走向方向探測時，由于單端直連法輸入電流回路的局限性，僅僅靠改變儀器的增益參數并不能很好地改善單端直連法的探測效果。這也說明在遠距離探測金屬管道時，使用雙端直連法的必要性。

4 應用實例分析

某發電廠擬建員工宿舍，擬建場地中存在金屬供水管，該供水管道于多年前深埋，管道具體位置資料已丟失。根據現場情況，探測工作聯合使用了感應法與直連法，并結合當地居民提供的供水管道大概位置來尋找金屬水管。分析兩種方法的特點，感應法通過接收機在地面接收二次場信號，按照信號強弱對地下管道進行定位。該方法操作簡單，適用范圍較廣，可用于探測所有金屬管道，適用于該區域的盲探工作，以初步確定管道走向。若目標金屬管道在地表有出露點，通常會選擇使用更直觀的直連法。直連法直接向管道施加電流，信號強，定位精度高，容易區分近距離相鄰的管道[17-18]，適用于已經揭露管道位置之后再對管道進行大面積的快速探測工作。

探測時，首先利用感應法，保證發射機與接收機距離在20 m以內，找出信號最強的位置，然后將接收點轉為發射點，重復該步驟，確定擬建宿舍場地內淺埋部分管道的位置。標記并成功開挖驗證的1號坑位如圖6所示。利用1號坑揭露的管道，采用單端直連法，將發射機正極連接在1號坑揭露的管道上，負極連接大地；在2號點(見圖7)附近，利用接收機在垂直于管道走向上持續接收信號，取信號最強點為管道位置，標記2號點并進行開挖驗證。采用相同的工作方法，后續又確定了4號點。在2號和4號點之間，由于表層回填的堆土較厚(部分厚度超過6 m)，所以以2號和4號點為供電點，采用雙端直連法進行探測，標記并成功開挖了3號點。最終確定的該供水管道在擬建場地的地下軌跡如圖7所示，圖中藍色曲線為供水管道的軌跡。

圖6 開挖驗證的1號坑位

圖7 探測管道軌跡(藍色曲線)示意

該實例充分說明了感應法和直連法的聯合使用在金屬管道探測中的有效性。利用感應法可初步判斷淺埋管道的位置，適用于沒有出露點時的盲探；當開挖揭露或已有出露點時，可使用信號較強的直連法進行探測，兩種方法聯合使用，可以提高管道探測的準確率。

5 結論

(1) 由對無限長直導線響應曲線的數值模擬可知，載入電流與管道埋深的改變是影響電磁響應信號的主要因素。

(2) 在增益相同時，雙端直連法在管道方向上的信號強度均大于單端直連法的，單端直連法在遠離充電端時接收到的信號強度較弱。

(3) 當信號接收點離充電端距離較小時，增益為40 dB與50 dB的探測效果差異明顯，但隨著其與充電端距離的增大，兩種增益的探測差異逐漸減小，側面證實了遠距離探測時使用雙端直連法的必要性。