周 江，潘劍偉，呂 勇，楊 洲，張成麗

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025) (2.貴州省黔西南布依族苗族自治州設(shè)計(jì)院有限公司，興義 562400)

管道已經(jīng)成為城市發(fā)展中資源運(yùn)輸?shù)闹饕d體[1]。對地下水、電、氣等管道的準(zhǔn)確定位對于城市管理與發(fā)展顯得至關(guān)重要[2-3]。部分建筑物建造年代較為久遠(yuǎn)，地下管道的規(guī)劃布置圖等資料已損壞或丟失，導(dǎo)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(guī)劃場地地下管道的走向、位置進(jìn)行探測[5]。地下管道按物理性質(zhì)可大致分為金屬管道與非金屬管道。因?yàn)榈叵陆饘俟艿阑蜚~、鋁質(zhì)電纜與周圍的物質(zhì)媒介存在明顯的電磁性差異，所以可以利用電磁感應(yīng)原理來對其進(jìn)行探測，主要方法有感應(yīng)法、夾鉗法、直連法等[6-7]。

尹燕京等[8]指出感應(yīng)法適用于盲探，盲探易受臨近管道干擾且信號不穩(wěn)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(qiáng)。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(shí)際工程中，勘探人員通常會(huì)綜合利用兩種或多種物探方法來相互補(bǔ)充驗(yàn)證結(jié)果[9]。楊向東[10]采用直連法和感應(yīng)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(yīng)法與直連法等探測方法對油田進(jìn)行二次勘探，說明了物探方法對油田地下管網(wǎng)定位的有效性；林雄[12]采用感應(yīng)法和直連法探測得到地下管道資料，為地鐵的線路設(shè)計(jì)和施工提供了重要依據(jù)。綜上所述，結(jié)合直連法與感應(yīng)法對地下金屬管道進(jìn)行探測，可得到較準(zhǔn)確的地下管道資料。

文章首先對載流管道的電磁響應(yīng)信號進(jìn)行了數(shù)值模擬，然后通過場地試驗(yàn)對直連法中單、雙端不同連接方式下響應(yīng)信號的特征進(jìn)行了分析；最后通過某發(fā)電廠金屬供水管道探測的實(shí)例說明了感應(yīng)法與直連法聯(lián)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(shí)，發(fā)射機(jī)向外發(fā)送諧變磁場，目標(biāo)體在一次磁場的激發(fā)下產(chǎn)生二次電場，交變的二次電場產(chǎn)生的二次磁場被接收機(jī)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(jù)一次電磁場的來源，頻率域電磁法分為主動(dòng)頻率法和被動(dòng)頻率法。主動(dòng)頻率法即直接將信號通過直連或感應(yīng)的方式轉(zhuǎn)移到金屬管道上，而被動(dòng)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(jù)信號施加方式的不同，主動(dòng)頻率法又可分為感應(yīng)法、直連法、夾鉗法[15]。文章主要討論主動(dòng)頻率法中感應(yīng)法與直連法的探測理論與實(shí)際運(yùn)用。

1.1 感應(yīng)法探測

采用感應(yīng)法進(jìn)行金屬管道探測時(shí)，將管道探測儀的發(fā)射機(jī)放置在目標(biāo)金屬管道的正上方，信號發(fā)射方向與管道延伸方向一致，利用接收機(jī)沿管道方向探測二次磁場，正常情況下，信號越強(qiáng)說明探測儀越接近管道位置。根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱，可推斷出管道的位置[16]。感應(yīng)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(yīng)法與直連法探測原理示意

采用直連法探測時(shí)，直接將發(fā)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(diǎn)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(diǎn)相接，負(fù)極接地，連接導(dǎo)線應(yīng)盡量垂直于目標(biāo)管道[見圖1(b)]。雙端直連法將管道探測儀接地電纜的正負(fù)極均接在同一根金屬管道的出露點(diǎn)上，其連接導(dǎo)線必須盡量遠(yuǎn)離目標(biāo)管道，防止信號干擾[見圖1(c)]。

2 數(shù)值模擬

2.1 載流長直金屬管道的磁場分布

當(dāng)所測管道在水平剖面的距離大于管道埋深的5倍時(shí)，即可將該導(dǎo)線視作無限長直導(dǎo)線，此時(shí)磁場強(qiáng)度H的計(jì)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(dǎo)線附近某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度沿水平方向和垂直方向進(jìn)行分解(見圖2)，記x為接收點(diǎn)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(dǎo)線電磁響應(yīng)信號的數(shù)值模擬

圖3 不同埋深、不同載流管道的電磁響應(yīng)曲線

響應(yīng)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(yīng)于管道的上方位置，但該點(diǎn)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(cè)存在極大值，且關(guān)于管道對稱；當(dāng)x趨于無窮大時(shí)，響應(yīng)值逐漸減小。

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

(3)Hx與金屬管道埋深相關(guān)，當(dāng)I與x不變時(shí)，埋深越大，響應(yīng)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(diǎn)為研究對象，兩出露點(diǎn)距離為86 m，管道埋深為1.2 m，試驗(yàn)儀器為TAM-3000型光電纜路由探測儀及配套的數(shù)字式多頻接收機(jī)。參數(shù)設(shè)置均為直連模式下的低頻、低檔，增益為40 dB。1號出露點(diǎn)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(shù)字式多頻接收機(jī)接收并記錄一次信號數(shù)據(jù)。

圖4 單雙端直連法的物理模擬結(jié)果(40 dB)

圖4為增益為40 dB時(shí)單端、雙端直連法的物理模擬結(jié)果，可見，單端直連法下，離充電端距離越遠(yuǎn)，接收到的信號強(qiáng)度越弱；雙端直連法下，遠(yuǎn)離充電端點(diǎn)處的信號也會(huì)降低，兩個(gè)充電端點(diǎn)中間約45 m位置處接收的信號強(qiáng)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(gòu)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(jīng)大地傳導(dǎo)而向四周擴(kuò)散，所以雙端直連法的響應(yīng)信號要強(qiáng)于單端直連法的，即使信號最弱的中間部位響應(yīng)信號的幅值也比單端直連法的大上許多。這也側(cè)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(jié)果

為了進(jìn)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(diǎn)設(shè)計(jì)了增益分別為40，50 dB的探測試驗(yàn)，其他參數(shù)設(shè)置與3.1節(jié)的相同。

圖5為兩種增益情況下單端直連法的物理模擬結(jié)果，可見，僅在探測點(diǎn)與充電端距離較小時(shí)，不同增益的探測信號強(qiáng)度之間存在較大差別,隨著接收信號點(diǎn)與充電端距離的增大，二者接收信號的強(qiáng)度差逐漸減小。從該現(xiàn)象上看，當(dāng)沿管道走向方向探測時(shí)，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(shù)并不能很好地改善單端直連法的探測效果。這也說明在遠(yuǎn)距離探測金屬管道時(shí)，使用雙端直連法的必要性。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

某發(fā)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(jù)現(xiàn)場情況，探測工作聯(lián)合使用了感應(yīng)法與直連法，并結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用裉峁┑墓┧艿来蟾盼恢脕韺ふ医饘偎?。分析兩種方法的特點(diǎn)，感應(yīng)法通過接收機(jī)在地面接收二次場信號，按照信號強(qiáng)弱對地下管道進(jìn)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(qū)域的盲探工作，以初步確定管道走向。若目標(biāo)金屬管道在地表有出露點(diǎn)，通常會(huì)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(qiáng)，定位精度高，容易區(qū)分近距離相鄰的管道[17-18]，適用于已經(jīng)揭露管道位置之后再對管道進(jìn)行大面積的快速探測工作。

探測時(shí)，首先利用感應(yīng)法，保證發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離在20 m以內(nèi)，找出信號最強(qiáng)的位置，然后將接收點(diǎn)轉(zhuǎn)為發(fā)射點(diǎn)，重復(fù)該步驟，確定擬建宿舍場地內(nèi)淺埋部分管道的位置。標(biāo)記并成功開挖驗(yàn)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(fā)射機(jī)正極連接在1號坑揭露的管道上，負(fù)極連接大地；在2號點(diǎn)(見圖7)附近，利用接收機(jī)在垂直于管道走向上持續(xù)接收信號，取信號最強(qiáng)點(diǎn)為管道位置，標(biāo)記2號點(diǎn)并進(jìn)行開挖驗(yàn)證。采用相同的工作方法，后續(xù)又確定了4號點(diǎn)。在2號和4號點(diǎn)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(diǎn)為供電點(diǎn)，采用雙端直連法進(jìn)行探測，標(biāo)記并成功開挖了3號點(diǎn)。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(lán)色曲線為供水管道的軌跡。

圖6 開挖驗(yàn)證的1號坑位

圖7 探測管道軌跡(藍(lán)色曲線)示意

該實(shí)例充分說明了感應(yīng)法和直連法的聯(lián)合使用在金屬管道探測中的有效性。利用感應(yīng)法可初步判斷淺埋管道的位置，適用于沒有出露點(diǎn)時(shí)的盲探；當(dāng)開挖揭露或已有出露點(diǎn)時(shí)，可使用信號較強(qiáng)的直連法進(jìn)行探測，兩種方法聯(lián)合使用，可以提高管道探測的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)論

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

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

(3) 當(dāng)信號接收點(diǎn)離充電端距離較小時(shí)，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(cè)面證實(shí)了遠(yuǎn)距離探測時(shí)使用雙端直連法的必要性。