拖拉管等疑難隱蔽管線探測技術方法研究

吳 杰 李志勇

（深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

隨著社會的發展，城市土地資源日益稀缺，管道埋設不斷往深層發展，加上城市管理要求盡量減少在城市中對道路進行“開膛破肚”等大規模破壞性施工，并且拖拉管技術和工藝日益成熟，在管道鋪設中得到大量應用，城市拖拉管線越來越多。由于拖拉管敷設管道不需要開挖地面，能穿越地面構筑物及公路、鐵路、河道，從而節省大量投資和時間，是對傳統開挖法管線施工的一次技術革命，近年來在電力、通信、給水、排水、燃氣管線的施工方面得到了廣泛的應用。由于拖拉管敷設的管線走向不按常規、埋深大（ h >5m），已超出了目前市場上的地下管線探測儀器標稱的勘探深度。因此，本文針對幾種探測方法的基本原理、適用性、有效性，結合實際工程案例，介紹電磁示蹤法、管道陀螺儀測量法、探地雷達探測法、井中三分量磁測法及電磁波CT法在拖拉管線探測中的應用，并取得了較好的效果。

1 探測方法

1.1 電磁示蹤法

示蹤法是將能發射電磁信號的示蹤探頭或是示蹤線送入非金屬管道內，在地面上用儀器追蹤信號，通過測定信號最強位置進行管道定位，通過管線探測儀的70%方法進行定深，逐點定位、定深，便可繪制出拖拉管的三維空間狀態。其中，示蹤線法又分為主動源法和被動源法。在管線密集的情況下，采用主動源示蹤線法的探測效果要好于被動源法。主要用于探查有出入口的非金屬管道。使用示蹤法探測時，現場必須有放置示蹤探頭或是示蹤線的出入口，而且應用主動源示蹤線法時還需要具備良好的接地條件。示蹤法方法原理如圖1所示。

圖1 示蹤法方法原理圖

優點：經濟、實用、簡便、快捷；探頭相對便宜，卡孔損失??；探測精度較高；穿線方便；非金屬管道探測效果好；管徑不受限制等。

缺點：僅適用于空管；管道兩端需要開口狀態；受穿線條件限制，管道長度不能太長；探測深度受限制（﹤10m）；金屬管道探測效果較差等。

案例：深圳市龍崗區雨污分流工程的某小區，需查明小區排水管網分布情況。因早期小區地面改造，將部分排水管道的檢查井掩埋，導致本項目無法完整查明小區排水管網分布情況。采用探地雷達進行掃描性探測，受地形、地物等周邊環境影響，部分區域有探測信號，部分沒有探測信息碎片化，無法準確判斷管線連接關系，查明管線相關信息。經綜合分析，采用CCTV機器人攜帶示蹤探頭進行探測，既查明了排水管線的走向、連接關系，通過CCTV視頻也采集到管道的材質、管徑、檢查井位置等信息，順帶也做了一下管道內窺檢測，保證了工程設計、施工的順利完成，小區雨污分流驗收達標。

1.2 管道陀螺儀測量方法

陀螺儀的原理：“一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的?！?根據這個原理，用它來保持方向，制造出陀螺儀（gyroscope），應用于管道測量的就是管道陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。陀螺儀用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。然后，陀螺儀和加速度計分別測量定位儀的相對慣性空間的3個轉角速度和3個線加速度延定位儀坐標系的分量，經過坐標變換，把加速度信息轉化為延導航坐標系的加速度。并運算出定位儀的位置、速度、航向和水平姿態，若給定坐標系統以及起終點坐標、高程，便可計算管道陀螺儀運動經過的每一個點的坐標、高程，從而繪制出管道的三維空間位置。

優點：系統運行不受地形、電磁波、磁場等外界因素干 擾，不受管道埋深影響，適用各種口徑、材質和埋深管道，測量速度快，測量精度高。

缺點：主要適用于管道兩端有開口的空管，封閉管道或帶載體物質的管道目前操作十分繁雜；儀器設備價格高，管道中作業若出現事故處理十分麻煩；誤差會累計，一次測量長度太長會導致后端測量誤差達不到精度要求。

案例：深圳某地下快速通道建設工程，有一根高壓電力管線橫穿線路影響快速通道的盾構施工作業，需精確查明該管線的空間賦存狀態。該電力管線外套DN1200mm鋼管，內襯DN200mm和DN150mmPE套管各20根，內穿電纜20根，最大埋深12.5m，兩側均有檢修井。因管線成弧度走向，地貌、地物等周邊環境復雜，埋深大，采用管線儀感應法、直連法、自動源法、示蹤法及探地雷達、地震影像法、瑞雷波法探測均沒有效果。最終采用管道陀螺儀進行測量，繪制出管線的三維空間狀態。成果資料提交后，地鐵設計、施工根據探測結果做了相應調整，保證工程得以順利完成。本工程電力管線平面圖、剖面圖如圖2、圖3所示。

圖2 電力管線平面圖

圖3 電力管線剖面圖

1.3 探地雷達探測方法

探地雷達勘探方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜（1MHz~1GHz）電磁技術，利用發射天線發射高頻寬帶電磁波，接收天線接收來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。埋設地下的管道與周圍地層的電性差異較大，容易形成強烈的反射波；同時，管道上表面也是地層的突變點，常常會產生繞射波，而繞射波在時間剖面上為雙曲線反映。因此，根據接收波的旅行時間、幅度與波形信息，通過時間剖面上的特征圖像，就能確定管道的位置及深度。電力管塊探地雷達圖如圖4所示。

圖4 電力管塊探地雷達圖

主要用于探測埋深較淺的電力、電信管塊和排水、供水、燃氣等大口徑管道。圖像直觀，容易判讀；精度可控；操作簡單、快速。但受地形、地物、電磁等外界因素干擾較大。

案例：深圳市龍華觀瀾某電力業擴工程，需新增2根電纜，為節省投資，設想利用現有電力線路，在現有電力管塊的空管穿線或方溝中布線，但該路段因往年道路施工的原因，電力管線及附屬設施已全部掩埋，無法調查管線詳細情況，埋設方式、幾何尺寸或管塊孔數、電纜根數及布設位置、埋深、走向及檢修井都不明。采用管線儀自動源法和感應法探測都有明顯信號，證明存在電纜，但無法查明其他信息。根據技術方法論證，利用探地雷達穿透力強、信息豐富等特點，采用探地雷達對該電力管線進行探測，從地質雷達圖像上可以看出，該電力管線為5×8共40孔管塊，套管管徑150mm，已有36孔穿線，塊頂埋深約為1.20m。后經施工開挖揭露，實際情況與探測信息相符。

1.4 井中三分量磁測法

井中三分量磁測法是測量鉆孔中不同深度磁場的X 、 Y 、 Z 這3個分量，計算出磁異常，從而判斷孔旁或孔下方有無磁性物體。一般應用于帶磁性管線的垂直方向精確探測，即用于精確探測管線的埋深。

探測方法：在距離目標管線一定距離的一側或兩側鉆孔，采樣間隔為管線半徑，三分量磁探頭至上往下逐點測量，再自下往上逐點測量，然后通過分析磁強度曲線便可確定管線的位置埋深。電力三分量磁測法信號圖如圖5所示。

圖5 電力三分量磁測法信號圖

該方法的優點是可以精確測量管線的埋深，特別適合查明影響地鐵盾構、頂管、拖拉管等地下工程施工并且以高程為主控因素的管線。缺點是無法精確查明管線的平面位置，探測前需要鉆孔導致費用高、工期長，并且受地下磁性埋藏物干擾大。

1.5 電磁波CT法

電磁波CT法是利用無線電波（工作頻率0.5～32MHz）在兩個鉆孔中分別發射和接收，根據不同位置上接收的場強的大小，來確定地下不同介質分布的一種地下地球物理勘查方法，也稱孔中無線電波透視法。當電磁波通過不同的地下介質（如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等）傳播時，由于不同介質對電磁波的吸收（β）存在差異，如溶洞、破碎帶等的吸收系數（βs）比其圍巖的吸收系數（βo ）要大得多，因此，在溶洞、破碎帶的背后的場強也就小得多，從而呈現負異常，像陰影一樣，就是利用這一差異推斷目標地質體的結構和形狀。該方法主要應用于拖拉管的精確探測。優點是可以精確查明管道的三維空間位置，資料判讀比較直觀；缺點是需要在管道兩側打一排鉆孔，工作麻煩，工期長，費用高。

案例：深圳市寶安區某大道修建地鐵，管線普查時發現某路口有一根高壓電力管線橫穿擬建地鐵線，該電力管線為2X3管塊，6根PE套管中都穿了電纜，無法采用示蹤法、管道陀螺儀進行探測。道路兩側有電力檢修井，采用管線儀夾鉗法追蹤探測，在距離檢修井不到5m處探測信號很快衰減到無法判讀，兩邊一致；采用探地雷達進行探測也沒有信號反應。經推測該管是采用拖拉法施工埋設，成垂向弧形穿越道路，埋深大且不同位置埋深不一樣，該管空間位置可能與地鐵盾構施工相沖突，需精確查明該電力管線的空間賦存狀態。經地球物理性質論證，電力管塊與周圍地層存在對電磁波吸收的差異，且電纜帶電存在磁性，可以采用電磁波CT法和井中三分量磁測法進行探測。在電力管線兩側按孔距3m打兩排一一對稱的鉆孔，孔深10～20m，然后采用電磁波CT法和井中三分量磁測法分別進行探測，兩種數據相互印證解釋，兩者探測結果基本一致。成果資料提交后，地鐵設計、施工根據探測結果做了相應調整，保證工程得以順利完成。本工程采用電磁波CT法結合井中三分量磁測法探測出的電力管線平面圖、剖面圖如圖6、圖7所示。

圖6 深圳寶安區地鐵工程采用電磁波CT法+井中三分量 磁測法探測的管線電力平面圖

圖7 深圳寶安區地鐵工程采用電磁波CT法+井中三分量 磁測法探測的管線電力剖面圖

2 結語

本文使用的5種探測方法用不同的技術手段解決了拖拉管等疑難隱蔽管線探測問題，根據最終的應用效果，可得到以下結論：①在拖拉管等疑難隱蔽管線探測工程中，根據工程實際情況，結合各種探測方法的優缺點論證其有效性和適用性，選擇合適探測方法，可以得到較好的應用效果。②示蹤法因其經濟、實用、簡便、快捷等特點，在拖拉管等疑難隱蔽管線探測中廣泛應用，前提條件是需要有開口的空管，假如結合管道爬行機器人技術，應用范圍會更廣。③管道陀螺儀測量方法將探查和測量技術融為一體，直接繪制出管線的三維空間狀態，數據穩定、可靠，缺點是儀器設備價格貴，管道中作業萬一出現事故不好處理。測量時還需注意其誤差的累計對測量精度的影響。④探地雷達屬于比較常規的管線探測技術，應用較廣，但受地質背景、場地條件等因素的影響，對埋深稍微大一點（>5m）的管線探測就無能為力。⑤井中三分量磁測法可以精確探測帶磁性管線的垂向位置，但對管線平面位置的探測效果欠佳；電磁波CT法可以精確探測管線的三維空間狀態，但受管線與周圍介質對電磁波吸收率差異的制約，會存在探測盲區，一般將孔中三分量磁測法和電磁波CT法結合起來用，相互印證、相互解釋，以提高探測準確率和精度。