埋地地下非金屬管道探測方法概述知識分享
埋地地下非金屬管道探測方法概述知識分享
摘要：非金屬管道材質主要有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯、混凝土、玻璃纖維及複合材料等。地下管道的位置、走向和埋深等指標，對管道的運營安全、檢測維修、第三方工程建設等都有較大影響。全麵梳理了地下非金屬管道常用探測方法及其原理，分析了各方法利弊及適用性，以期提高地下管道探測能力和精度，強化在役管道的安全保護。
從1995年原國家技術監督局、建設部相繼頒布聚乙烯（PE）燃氣管材、管件的國家標準和工程技術行業規程以來，PE燃氣管因其耐腐蝕、高韌性、撓性優及耐開裂和長壽命等特性，以及施工方便、造價低等優勢，在國內迅速推廣使用，其他非金屬塑料質管道也得以飛速發展。隨之，工程物探領域聲波探測設備的爆發式增長，為非金屬管道探測打開了新的大門。筆者結合多年探測經驗，將地下非金屬管道常用探測方法歸納為主探測方法、輔助探測方法和其他物探方法，分別包括示蹤線金屬探測法、主動聲源探測法；探地雷達法、被動聲源探測法、慣性定位法、定位標誌法；全方位電法、地震映像法等。本文介紹其中6種主要方法。
1、主探測方法
1.1 示蹤線金屬探測法
CJJ33―2005《城鎮燃氣輸配工程施工及驗收規範》第7.2.9條規定：PE燃氣管道敷設時，應在管頂同時隨管道走向敷設示蹤線，示蹤線的接頭應有良好的導電性，用於對管道的探測、追蹤及定位。該方法基於金屬管道探測原理，通過探管儀發射機給示蹤線施加電磁信號，由接收機接收信號對示蹤線進行準確定位和定深，從而推算出PE燃氣管道的具體位置。
（1）直連法[1]。發射機信號線與示蹤線金屬線芯直連，將交變電流直接注入示蹤線，通過探測示蹤線產生的電磁強弱來確定其位置和埋深。該方法的優點是信噪比高，不易受臨近管線幹擾，探測結果比較準確；缺點是探測時需要示蹤線有裸露點來施加信號，對示蹤線接地要求高且中間不能斷開，受施工影響大等。部分早期施工的PE管道未安裝示蹤線或示蹤線失效。
（2）夾鉗法[1]。用信號夾鉗套在示蹤線上使其產生感應電流，接收機追蹤探測該電流的磁場，達到定位定深目的。這種方法的優點是操作相對簡便，不需要示蹤線有裸露點；缺點是感應信號偏弱且衰減較快，易被幹擾，如示蹤線附近有其他金屬管線幹擾則探測結果不準確。
現行示蹤線一般采用銅包鋼線芯，與PE燃氣管道定距捆綁敷設。目前PE燃氣管道設計和施工中對示蹤線的選材及安裝尚無專業標準可依，施工現場存在不重視安裝示蹤線，示蹤線接地長度較短、抗拉強度低等問題，導致連接斷接、施工纏繞造成定位定深誤差較大。
1.2 主動聲源探測法
該方法適用於任何能直接施加信號的非金屬管道，特別是未安裝示蹤線或示蹤線失效的PE燃氣管道。主動聲源探測設備一般稱為非金屬管線定位儀。其原理是通過音頻驅動器（發射機）向非金屬管道發射特定頻率的聲波信號，該信號沿管道定向傳播並發散傳播至地表，接收器在地麵捕捉該聲波信號，通過信號強弱確定管道的平麵位置[2]，如圖 1所示。
圖 1 非金屬管線定位儀及探測示意
非金屬管線定位儀多采用主動特殊頻率信號和超窄帶濾波技術，發射源與接收通道可一一對應，不會受到其他聲波及管道信號影響，抗幹擾能力強，適用於任何環境下的管道探測。一般將音頻驅動器與燃氣管道附屬接口（放散口、法蘭、調壓設備等）使用快速接頭連接，或通過鏈條與管道本體緊密捆綁在一起，產生的聲脈衝沿管道傳遞，通過拾音器接收的信號強弱來定位，也可探測主管道和支線管道的互通信號。探測時無需開挖、停氣，連接快速、定位準確。但該設備無法定深，探測距離受管徑、壓力、埋深、回填土密度等影響較大，如硬質路麵下的管道較易探測，泥土地、綠化地下的管道由於土壤傳播聲波較差則不易探測，複雜地形環境下難以分辨確認目標管道。
2、輔助探測方法
2.1 探地雷達法
探地雷達是非破壞性探測儀器，它以地下各種介質的電阻率和介電常數差異為物理條件，使用高頻電磁波探測地下介質分布，通過剖麵掃描方式獲得地下剖麵的掃描圖像。雷達通過在地麵上移動的發射天線向地下發射高頻電磁波，電磁波遇到不同的電性界麵時，就會發生反射、透射和折射。電介質間的電性差異越大，反射回波能量也越大。反射到地麵的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收後，通過雷達主機精確記錄反射回波到達的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數據加工處理後，形成地下剖麵的掃描圖像。判讀雷達圖像便可得到地下各種介質的分布位置和狀態，從而確定目標管道的位置和深度[3]，如圖 2所示。
圖 2 探地雷達法探測效果圖
探地雷達設備價格昂貴，對實施探測的場地有較高要求，探測準備工作比較繁瑣。探測效果與管道徑深比、地質條件密接相關，管徑越大、埋深越淺則探測效果越明顯，富水地區探測非金屬管道效果不理想，複雜環境下難以分辨和確認目標管道。探測結果解譯過程繁瑣，物探工程師需要較多的內外業經驗。實際工作中一般用於輔助管線探測，以及驗證判斷是金屬管道還是非金屬管道。
2.2 慣性定位法
該方法以前主要用於軍事設備、科研等領域，目前成功用於地下管道三維定位。適用於兩端開口的非金屬管道（如排水管道），尤其適用於定向鑽施工的、有預留或備用通道的管道（如電力和通信管道）。不適用於在役中低壓PE燃氣管道。慣性定位法所用設備稱慣導定位儀，其以慣性定律為原理，基於角動量守恒定律，以陀螺儀和加速度計為敏感元件，應用航跡推算法提供慣導定位儀位置、速度和姿態等信息。用陀螺儀感測位置和維持方向加速度並經過一次積分得到速度、經過二次積分得到位移。角速度經過處理後得出慣導定位儀的俯仰、滾轉等姿態信息，固定管道起訖點三維坐標可自動計算出線性坐標信息，達到探測管道位置和埋深的目的。
慣導定位儀不受地形條件和深度限製，能夠跨越大的河流、湖泊、建築等，電磁幹擾影響較小。在慣導定位儀輪組的可用尺寸區間內，適用於施測任何材質管道。其配套軟件可以設置不同距離的采樣間距，采樣間距越短精度越高，更能貼合管道的真實空間位置。數據後處理速度快、精度高，可與主流繪圖軟件AutoCAD、ArcGIS等無縫銜接，成圖方便快捷。由於獲取的坐標數據兩端精度高、越靠近中點誤差越大，探測較長距離管線需要地麵定位係統輔助校正。
2.3 被動聲源探測法
該方法多用於地下管線較少時的管道輔助探測，適用於全部淺埋金屬和非金屬管道，市政公用管道應用較多。典型設備如美國傑恩公司APL聲學管線定位儀（圖 3）。其工作模式類似於探地雷達，通過發射器向地麵發射探測聲波（探地雷達是發射電磁波），接收器接收探測聲波的反射波，完成一次“斷麵探測”，通過多次斷麵探測記錄的反射波的強度、速度和持續時間等計算出地下管道的位置、管徑等信息。
圖 3 APL聲學管線定位儀及探測示意
被動聲源探測設備可定位任意材質的管道，無需管道露出也無需連接管道，操作過程和數據分析簡單，鋪裝路麵、草地等各種埋地環境下的管道均可使用。其缺點也是在相對複雜環境下難以區分目標管道，分辨率與管徑和埋深關係密切，對大埋深管道（超過2 m）探測能力有限，目標管道與埋設環境的物性差異越大，探測效果越好。
2.4 定位標誌法
該方法可用於精確定位地下管道和設施[4]，尤其適用於維搶修後管道的定位標記，在城鎮燃氣管道、市政給排水管道等應用最多。定位設備主要由記標（電子信標器）和記標探測器組成。根據需要將記標埋置於地下設施特征點處，如套管端點、非開挖端點、連接處、分支點、末端 、地下暗井暗閥等特征部位，記標探測器靠近時被激發向地上發射特定信號，同時記標探測器接收信號並通過聲頻變化和屏顯數據告知操作者地下設施信息，如圖 4所示。已鋪設的管道可使用鑽洞工具挖一個小孔將記標埋於管道需設置記標處，或在維搶修結束、回填時布設。
圖 4 記標（電子信標器）及探測定位示意
該方法可以自成係統獨立使用，也可以與示蹤線配合使用，有效彌補示蹤線中斷後無法探測非金屬管道的缺點，不會受到鄰近金屬管道、強電場、強磁場等幹擾，可在埋設複雜、擁擠的環境中輕鬆識別目標管道及其種類和屬性，探測精度高。記標使用壽命長，可覆蓋管道全生命周期。目前國內記標產品還不太豐富，施工、運營接受程度低，非開挖施工不適用。
3、結語
目前非金屬管道探測技術逐漸成熟，但部分探測單位對這一領域的認知還停留在早期階段，從而導致一些因探測數據不精準而引發的質量事故或安全事故。綜合來看，地下非金屬管道探測方法多種多樣，但沒有任何一種技術和設備能勝任所有探測任務。應結合實地探測環境，充分利用圖檔資料，優先選用簡單高效輕便的探測方式，準確采集信息，為地下管道安全運營和工程建設提供詳實可靠的資料。