地下管线探测技术与探测设备

城市地下管线探测技术与探测设备

2012年8月

摘要：本文分析了地下管线探测的特点及其工作原则，阐述了目前城市地下管线探测主要技术方法、特点及其工作原理，介绍了地下管线探测相关设备。随着我国城市建设现代化的发展，地下管线探测工程也越来越多，特别是大量非金属管线的使用对于地下管线探测技术提出了更高的要求，进行地下管线探测技术研究是一个长期的问题。

关键词：管线探测技术；电磁法；探地雷达；管线仪

1 引言

地下管线是城市最重要基础的设施，长期以来，它担负着传输信息，输送能量及排放废液的工作。它是城市赖以生存与发展的基础和保障，是保障城市功能正常发挥和人民安居乐业的神经和血管，因此被称为城市的地下生命线。但是由于种种原因，我国许多城市的地下管网分布资料不全，管线档案管理不规范。近年来，随着城市建设飞速发展，在施工过程中因损坏管线而引起的停水、停电、人员伤亡等重大事故在许多城市屡见不鲜。因此探测地下管线对于城市的正常运营和改扩建具有重要的意义。

2 我国地下管线探测技术发展简介

使用物探方法进行地下管线探测我国开始于上世纪80年代末期。在此之前，获取地下管线资料的手段主要以向管线权属单位搜集已有的管线资料和开经调查为主，这时期获取的管线资料准确性、全面性都比较差。

进入90年代，我国的地下管线探测技术得到迅速的发展，在地下管线普查工程中逐步使用了“内外业一体化”的作业模式和探测技术，一批专业化的探测

公司相继成立，国内许多大中型城市相继开展了城市地下管线普查工作。1994年原冶金部组织制订的《地下管线电磁法探测规程》YB／I9027—94和1995年颁布实施的行业标准《城市地下管线探测技术规程》CJJ61—94，推动了城市地下管线探测技术开始走向规范化，标志着以物探技术为基础的城市地下管线探测技术开始走向标准化和应用推广阶段。1996年成立了原建设部科技委地下管线管理技术专业委员会，为我国地下管线探测技术的发展和应用做了大量的工作。

进入2l世纪以来，随着数字化测绘技术以及计算机技术的发展与应用，“内外业一体化”探测技术得到了较快发展和应用推广。这一时期我国许多城市均采用“内外业一体化”探测技术组织进行了地下管线普查，提高了探测作业的工作效率，保证了普查工作成果的质量。2003年修订后的行业标准《城市地下管线探测技术规)CJJ61—2003，系统总结了“内外业一体化”技术经验和成果，为规范和统一技术的应用推广起到重要作用。

3 地下管线探测的特点和基本原则

3.1 地下管线探测的特点

（1）工作环境复杂，地下管线探测不仅受管线本身材质影响，同时也受到当地的埋设状况等地质条件影响；

（2）地下管线种类繁多，主要有：给水管、排水管、燃气管、电力电缆和路灯电缆、电讯电缆、供热管道、人防通道等。由管线所形成的物理场的种类和变化较大；

（3）对探测设备具有较高的要求，必须满足规程的需要。既要经济实用，能够对管线进行连续追踪，快速、准确定位、定深；同时要具备多种频率，适用不同的工作环境，有较高的分辨率和较强的抗干扰性能。

3.2 地下管线探测的基本原则

地下管线探测技术特点决定了工作原则，对于不同的管线，不同的环境需要采用相应的技术方法。根据《城市地下管线探测技术规程》的要求，结合实际工作经验，在地下管线探测过程中需遵循以下基本原则：

（1）从已知到未知。在仪器探查工作开始前应首先在区内的已知管线敷设情况的地方进行方法试验，以确定方法技术和选用仪器有效性、精度和有关参数。通过方法实验确定最小收发距、最佳收发距、最佳发射频率和功率，并确定定深修正系数。不同类型的管线仪器在不同的地球物理条件的地区，方法技术的效果不同，因此应分别进行试验，然后推广到整个测区开展探查工作。在探查过程中遇到不同的管线材质或疑难问题，应随时进行方法试验，提高探测的精度。

（2）由易到难，从简单到复杂。开展探查工作时，应首先选择管线少、干扰少、条件比较简单的区域进行，然后逐步推进到相对复杂条件的地区；在城市综合管线探测过程中，应首先选择明显点调查较多、探测难度较小的管线种类开始，一般顺序为：排水管道---通讯电缆---路灯电力电缆---供热管道---给水管道---燃气管道。

（3）管线探测的技术方法有很多种，实际应用时在保证探测质量的前提下，应优先选择简单、快捷、安全有效、成本低的方法，这是由技术的经济性特点所决定的。

（4）在管线分布复杂区域，通过单一的技术方法是很难或无法辨别管线的敷设状况，需要根据相对的复杂程度采用适当的综合方法，以提高对管线的分辨率和探测结果的可靠程度。

4 目前地下管线探测的主要技术方法

4.1 地下管线按其物理性质可大致分为三类：

（1）由铸铁、钢材构成的金属管线；

（2）由铜、铝材料构成的电缆，如电力电缆、通讯电缆等和有线电视电缆等；

（3）由水泥、陶瓷和塑料材料构成的非金属管道，如排水、工业管道或某些给水管、燃气管等。上述管线与周围介质在电性、磁性、密度、波阻抗和导热性等方面均存在物性差异，因此，可以利用导电率、导磁率、介电常数和密度等物理参数，选择不同的地球物理方法进行探测。

地下管线探测方法一般分为两种，一种是井中调查与开挖样洞或简易触探相结合的方法。这种方法工作效率低、成本高、成果质量低，是物探技术引入到管线探测技术之前主要采用的方法，目前仅在在某些管线复杂地段和检查验收中采用。另一种是仪器探测与实地调查相结合的方法．这是目前应用最为广泛的方法。在各种物探方法中．就其应用效果和适用范围来看，依次为电磁法、电磁波法（地质雷达法）、直接法和钎探法、声波法、红外辐射法、地震波法等。

4.2 电磁法

电磁法具有探测精度高、抗干扰能力强、应用范围广、工作方式灵活、成本低、效率高等优点，因此是目前国内外最常用的探测方法。电磁法的基本原理是利用交变电磁场对导电性或导磁性或介电性的物体有感应作用，从而产生二次电磁场，通过观测分析所激发的二次电磁场来确定地下管线的位置。应用电磁法探测地下管线，通常是先使导电性好的地下管线带电，然后在地面上测量由此电流产生的电磁异常，从而来达到探测地下管线的目的。其前提是必需满足以下地电条件：（1）地下管线与周围介质之间有明显的电性差异。（2）管线长度远大于管

线埋深。在此前提下，无论采用充电法或感应法，都会探测到地下管线所引起的异常。从原理上讲，在感应激发条件下，管线本身及导电介质均会产生涡流。对于那些直径与埋深可比拟的管道而言，在地表所引起的异常既决定于管线本身所产生的涡流，也决定于大地一管线一大地这个回路中的电流，以及管线所聚集的、存在于导电介质中的感应电流。金属管线的导电性远大于周围介质的导电性，所以管线内及其附近的电流密度就比周围截止的电流密度大。这就好像在管线处存在一条单独的线电流。对一般平直的长管线，可近似将其看成由无限长直导线产生的磁异常。在距管线中心r(单位:m)处，其磁场强度(单位;A/m)由毕奥一沙伐尔定律求得：

式中，I为流经管线的交变电流强度(单位:A)[s]

电磁法通过其场源的不同可分为被动源法和主动源法两种方法。

4.2.1 主动源法

主动源法是指可受人工控制的场源，通过人工向被探测管线发射一定频率的交变电磁场，使被测管线产生感应电流，在被测管线周围产生二次场，通过观测、分析这个二次场来确定地下管线的位置。根据给地下管线施加信号的方式不同又可分为：直接充电法、感应法、夹钳法及示踪法。

（1）直接充电法

适用于有出露点的金属管线探测。直接法有三种连接方式：双端连接、单端连接及远接地单端连接。即将发射机专用输出电缆的一端与被探测的金属管线相连接，另一端接地或接到金属管线的另一端，利用接收机搜索被探测金属管线产生的电磁信号，对管线进行追踪定位。该方法能使接收机接收到较强的电磁信号，

对管线的定位及定

深精度都相对较高，但管线必须有出露点，并具备良好的接地条件。

4.2-1图双端连接法示意图 4.2-2图单端连接法示意图

（2）感应法

感应法是利用发射机发射本身的谐变电磁场，使被探测的地下管线产生感应电流而形成电磁场，通过接收机在地面接收地下管线所形成的电磁场，达到对被探测管线进行搜索、追踪、定位之目的。感应法适用于出露点稀少而不便使用直接法探测的金属管线或电缆，该方法操作简单灵活，但容易耦合相邻其他管线上面，增加探测的难度。

4.2-3图感应法原理示意图

（3）夹钳法

是利用专用的的夹钳（亦称耦合环）夹住被探测的管线，通过耦合环把电磁信号加载到被探测的管线上，以达到对管线追踪定位之目的。此方法信号强，定位定深精度高，适用于管线直径小且不宜使用直接法探测的金属管线或电缆，如电力、电信类电缆、燃气入户管线等，但管线必须有出露点，而且被探测管线的直径必须小于夹钳的大小。

4.2-4图夹钳耦合示意图

（4）示踪法

示踪法原理是通过发射机将信号加载到导电线上，通过探测导电线辐射到地面的电磁信号来确定目标管线的位置和埋深。示踪法一般只适用于开放式的管道，还要有能让导电线进入目标管道的观察孔、检修井等设施，且检修井的设置间距不能太远，目前主要多用于排水管道。

4.2-5 示踪加载信号示意图

4.2.2 被动源法

被动源法不需要人工对被探管线施加场源，场源来自电缆所载有的50Hz/60 Hz交变电流或空间存在的电磁波信号，只需用接收机接受该信号。被动源法操作简单方便，但只能对地下管线进行追踪和初步定位，不能探测管线的埋深，进一步精确地定位、定深还需要主动源法进行。

（1）工频法

工频法利用电力电缆中载有的50/60Hz交变电流或游散电流汇入金属管线的电流形成的电磁场进行探测。载有电流的电缆与大地之间具有良好的电容耦合，在其周围形成交变电磁场。地下金属管线在电磁场的作用下产生感应电流在管线周围形成二次磁场。使用接收机这个二次磁场从而确定地下管线的位置。

4.2-6 工频法原理示意图

（2）甚低频法

甚低频法是利用甚低频无线电台所发射的甚低频电磁波信号（14 ～26 kHz），在金属管线中感应的电流所产生的二次场进行探测。其原理是电台发射的电磁波在传播过程中，将会使管线及周围介质极化而产生二次场，由于管线与周围介质存在物性上的差异，使二次场及其总场均有一定的差异，通过测量这些差异可发现引起差异的高阻或低阻管线。

许多国家为了通讯及导航目的，设立了强功率的长波电台，其发射频率为15～26kHz,在无线电工程中，将这种频率成为甚低频。能为我国利用的电台有：日本爱知县NDT台，频率为：17.4 kHz；澳大利亚的NWC台，频率为22.3 kHz；莫斯科UMS电台，频率为：17.1 kHz；美国的NAA电台，频率为17.8 kHz。这些电台的发射功率一般为500～1000kW，发射功率大，电磁波传播远，即使在320～4800km处也可以将这些电台作为发射场源。

4.2-6 甚低频法原理示意图

4.2.3 电磁法的定位定深技术

（1）平面位置的确定

电磁法确定管线平面位置有极大值法和极小值法两种。

a、极大值法：亦称为峰值法,地下管线在场源激发下产生一定强度电流时，在管线正上方，地下管线形成的磁场水平分量值最大，即在管线的地面投影位置上出现极大值。极大值法又分为双水平天线（窄峰法）和单水平天线（宽峰法）。

4.2-7 极大值法定位原理图

b、极小值法：亦称零值法,在地下金属管线的正上方，管线所形成磁场垂直分量最小,即为“0”，也就是说地下金属管线所形成的磁场垂直分量在管线的地面

投影位置上出现零值点，在垂直管线走向的方向上，用管线仪的水平线圈接收此垂直分量，根据极小值点位来确定管线的平面位置。极小值法只能确定管线的平面位置，无法测量管线的深度。

4.2-8 极小值法定位原理图

（2）埋深的确定

a、70%法测深（特征点法）：利用垂直管线走向剖面，测得的管线磁场异常曲线峰值两侧某一百分比值处两点之间的距离与管线埋深之间的关系，来确定地下管线埋深的方法。测定时，先用极大值法定位，保持接收机的垂直状态，沿垂直管线方向向两侧移动，直到幅值降为定位点处，量测两点之间的距离即为地下管线的中心埋深。

4.2-9 极小值法定位原理图

b、直读法：直读法是利用接收机中上、下两个垂直线圈（线圈面垂直）测定管线产生的磁场水平分量梯度，而磁场水平分量梯度与管线埋深直接相关，通过在接收机中设置的按钮，将埋深数据显示在接收机表盘上，探查人员可从表盘上直接读出管线的埋深。

4.2-10 极小值法定位原理图

4.3 电磁波法----探地雷达

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR），与对空雷达在原理上十分

相似，是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是由置于地面的发射天线送入地下一高频电磁脉冲波（主频为数十兆赫至数千兆赫），当其在地下传播过程中遇到不同的目标体（管线、空洞、裂缝、岩土体、溶洞等）的电性介面时，就有部分电磁能量被反射折向地面，被接收天线所接收并由主机记录，得到从发射经地下目标体界面反射回到接收天线的双程走时t。当地下介质的波速V已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的埋深Z。地质雷达发射天线与接收天线的距离X通常很小，甚至合二为一。当地层倾角不大时，反射波的路径几乎与地面垂直。这样，可对各测点进行快速连续的探测，并根据反射波组的波形与强度特征，通过数据处理得到地质雷达剖面图象。而通过多条测线的探测，则可了解现场目标体平面分布情况。

Z2=1/4(t2v2-x2)

4.3-1 地质雷达探测原理图

式中：z—目标体埋深

t—双程走时

v—电磁波在介质中的传播速度

4.3-2 地质雷达探测原理图

探地雷达既可以探测金属管线，也可以探测非金属管线。尤其在探测非金属管线时具有快速、高效、无损及实时展示地下图像等特点，是目前探测非金属管线的首选工具。需要注意的是在进行地下管线探测时，首先要了解管线的类型、走向和大致埋深，以便合理选择天线频率，设置最佳时窗和选择滤波参数。影响雷达探测三个最重的参数是：环境电导率、介电常数和探测频率。

（1）、环境电导率σ是表征介质导电能力的参数,它决定了电磁波在介质中的穿透深度,其穿透深度随电导率的增加而减小,并与土壤中的含水量有密切的关系;当σ10-7S/m,并满足介电极限条件时,电磁波衰减小,最适宜发挥地质雷达应用效果。

（2）、介电常数是影响应用效果的另一个重要因素,高频电磁波在介质中的传播速度主要取决于介质的相对介电常数,而反射信号的强弱取决于介电常数的差异。

（3）、探测频率制约着探测的效果，雷达的探测深度和分辨率是一个矛盾

的关系，天线中心频率高，探测深度小，分辨率高，反之，则分辨低。

因此可见雷达在探测时受到管线材质与周围回填物导电性差异、土壤含水率的影响。并且雷达不同于电磁法探测仪，不能对管线进行追踪探测，只能做剖面探测或网格状探测，容易受到非目标物的干扰。这是雷达探测的技术缺点。

目标管线

4.3-3 地质雷达探测原理图

雷达图形是以脉冲反射波的波形形式记录。图像竖轴显示探测目标物的埋深，图像上方显示雷达行进的距离，波形以黑白色表示。图像4.3-3为是北京埃德尔公司在淮南东淮村小区测得的雷达探测图像，图中管线深度为0.55米，为PE管道。

4.4 直接法和钎探法

直接法用于对于管线上的阀门、窨井、消防井等附属设施的调查，通过直接开井量取以获得相关的信息数据，这是一种可行又直观的简便方法。在通过其他物探手段无法确定管线位置和埋深时，可用钎探法（使用钢钎直接接触管线）进行探测，使用钎探法探测时应注意在严禁在易燃易爆的危险管道或电缆上进行，以免发生危险。如燃气、电力电缆、各种通讯电缆，钎探法目前主要在非金属管道疑难问题解决时使用，该方法具有一定的危险性和破坏性，要求具有钎探经验

的技术人员现场指挥操作。

4.5 声波法

声波法的基本工作原理是利用发射机发出一定频率的声波信号，该信号通过与管线出露部分连接的振动器传输到管道上，声波信号在沿地下管道向两端传递的同时，有部分声波信号能传递到地面，接收机通过专用的探头在地面接受该声波信号，从而确定目标管线的位置。

声波法适用于内部流体为气态或液态、硬质小口径非金属管道，具有一定的局限性。

（1）探测现场要有管道的出露点以便安装振动器发射信号。

（2）受探测现场的环境噪音影响很大。

（3）由于声波的衰减特性，该方法只适用于小口径管道的探测，大口径管道由于声波的衰减太快，探测效果极差；并且管道埋设越深难度越大。

声波法只能对管道进行平面定位，而不能探测管道的埋深，且使用时受环境影响因素较大，在实际工作中较少应用。

4.6 红外辐射法

红外线辐射探测的理论基础是斯蒂芬定律：

I =εkT 4 （2.5-18）

式中I为物体的辐射通量；ε为发射率；k 为常数；T 为绝对温度。

在实际工作中，把大气背景的影响作为恒定状态，覆盖物是均匀稳定的。那么在一天的某一段时间内，大气背景可认为是不变的，所测得的温度差异是由地下不同介质如水、铁管、水泥管等热特性的差异所造成的。测量不同地段、不同时间的辐射温度，通过不同时相了解地表发射温度与与自然背景的区别，寻找不

同区域、不同介质辐射温度的差异，从而间接寻找地下管道的位置及发现漏水部位。它可以用于探测那些对测深精度要求不高的某些金属及非金属管道，在实际工作应用较少。

4.7 地震波法

地震波法是利用弹性波在地下介质的传播过程中，遇到地下管线后产生反射、折射和绕射波，使弹性波的相位、振幅及频率等发生变化，在反射波时间剖面上出现畸变，从而确定地下管线的存在。它包括浅层地震勘探法和面波法。这种方法受环境和地下介质的影响较大，要求具体操作人员具有较强的理论水平及实践经验，在实际应用中有待进一步研究。

5 地下管线探测设备简介

目前在地下管线探测中广泛应用并取得良好效果地下管线探测设备主要是是地下金属管线探测仪（简称探测仪）和探地雷达。前者用于地下金属管线快速追踪、精确定位，后者不仅可以探测金属管线，还可以探测非金属管线，二者结合起来是目前地下管线探测最有效的工具。

从地下管线探测仪器的发展历史看，国外起步较早，技术水平高，品种多，已有许多成熟的产品在不同测量领域得到广泛的应用。1915年至1920年，美国、英国和德国先后生产了探测地下管线的专用仪器，这些仪器和技术源于寻找地雷和未引爆的炸弹等金属探测器。第二次世界大战后，随着电磁理沦和电子技术的发展，研制出了应用电磁感应原理的地下金属管线探测仪。20世纪80年代后，由于采用了新型磁敏元件、各种滤波技术及天线技术，使仪器的信噪比、精度和分辨率大为提高，并更加轻便和易于操作，实现了地下管线的高精度和高效率的探测。主要知名的品牌有英国RADIO DETECTION公司生产的RD系列产品、美

国RYCOM公司的地下管线探测仪8850/8875/8878、美国Subsite 70/300/95OR/T 型地下管线探测仪、德国竖威生产的探管仪EI-/G1、日本富士公司生产的PL系列产品等。国内地下管线仪器的生产起步较晚，技术水平较低，发射频率单一、发射功率较小，稳定性、分辨率较查，因此生产的产品很难在实际工作中得以广泛的应用。西安华傲通讯技术有限责任公司的GXY系列地下管线检测仪，是国产管线探测仪器的首选品牌，其中GXY一2000型地下管线探测仪是国内唯一全数字式地下管线探测仪。

英国RADIO DETECTION公司生产的RD地下管线探测仪一直是管线探测行业领军产品，RD8000智能型管线探测仪采用了世界上先进的技术和工艺，核心技术为Centros?搜索引擎（中央处理器），提高了探测的精度和重现性，具有互联网接入功能的，可以实现在线注册、远程故障诊断、频率下载、软件升级等。RD8000的罗盘指示功能显示管线走向，能使探测者准确的清晰判断出管线走向，特别对初学者具有很大的帮助；它具有蓝牙?无线技术，可以使用SurveyCERT?（专用的测绘应用平台）和iLO C?（无线连接）功能，将数据从RD8000 传输到兼容的PDA 或计算机上，并绘制测绘图，将管线探测仪探测数据与计算机绘图技术进行了有机的结合，是探测信息重现；特有的被动规避功能，能同时使用电力模式和无线电模式进行快速探测被测管线，并且实现了在电力模式下测深功能。RD8000管线探测仪是探测煤气、电力、电信、自来水、排水和有线电视等各类地下管线的最有效的仪器。

PL-1000是日本专业管线和漏水探查设备制造公司--富士地探株式会社最新推出的金属管线及电缆测位器，是用于探测供水、煤气、通讯、电力等各种金属管线的埋设位置、方向及深度的新型探测仪器。PL-1000的接收机天线采用的是

富士公司独家专利的双线圈差动天线，其设计原理是利用A/B两支线圈接收电磁感应信号，两支线圈输出电流方向相反并形成一个平衡回路，利用两者的电流差值，即双线圈感应的平衡点来判断管线位置。专利的差动天线具有以下特性：一、使仪器在探测过程中的抗环境电磁干扰能力明显增强，这种特殊的天线结构可以很好的滤除非探测信号的环境电磁波干扰。二、将接收机得到的被测管线上方感应磁场的强度反映曲线变窄变尖，从而使被测管线水平位置的探测更加容易、更加明显，准确度更高。同时，提高了相临管线的探测分辨能力。专利的差动天线和特有的二次测量方式，使得PL-960的测深精度在普通直读法测深的基础上有了很大提高。

DP-LD6000全频管线探测仪由上海雷迪公司的推出的新型管线探测仪。它采用电磁法探测地下管线的位置、埋深、走向和信号电流强度，实用于探测大埋深管线，并可选配多种功能扩展附件，实现管线外护套接地故障定位、密集电缆识别、非金属管线定位功能。DP-LD6000具有超高灵敏度的新型接收线圈：动态范围高达140dB，能够探测更深的管线和更远的距离；特殊圈接收技术：压缩信号响应范围，提高探测信号的分辨率和密集管线的定位精确度，利用双线圈技术消除或抑制空间及地下邻近管线的电磁干扰。

20世纪90年代初期，探地雷达技术的发展应用，进一步拓宽了地下管线的探测范围，一定程度上弥补了非金属管线探测的技术难点。一些公司相继生产出了专门用于探测地下管线的探地雷达，体积较小、便于操作、经济适用，而且性价比都比较高。主要品牌有：英国雷迪公司的RD1000型、MALA公司的易捷EASY LOCATOR和玛拉X3 M 型雷达、加拿大Sensors & Software公司生产的EKKOI00及EKKO1000型新一代数字式探地雷达、德国竖威的探地雷达Pulse

EKKO1000型。

RD1000?是RADIO DETECTION公司生产的专门用于地下管线探测的探地雷达，它采用了先进的数字滤波可滤除干扰信号，从而大大提高了定位准确度，具有强大的数字信息处理系统可实时、清楚地显示地下地像。多种数字颜色可选和强大地增益调整极大地提供了定位的质量。RD1000?操作简单，LCD显示屏配有直观的键盘和菜单系统，为操作人员提供各种应用功能。定位只需向后拉动雷达车，便可进行定位，定位模式可抓拍到地下各种状况图，光标显示地下管道的深度和位置。采用单键式录制模式，图象存储在闪存卡上，同时闪存卡界面还可让用户进行固件升级。RD1000?是进行非金属管线探测的理想工具。