呂紅濤

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：非金屬管道材質(zhì)主要有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯、混凝土、玻璃纖維及復合材料等。地下管道的位置、走向和埋深等指標，對管道的運營(yíng)安全、檢測維修、第三方工程建設等都有較大影響。全面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。

關(guān)鍵詞：非金屬管道；地下管道探測方法；探測原理；適用性

從1995年原國家技術(shù)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(shù)行業(yè)規程以來(lái)，PE燃氣管因其耐腐蝕、高韌性、撓性?xún)?yōu)及耐開(kāi)裂和長(cháng)壽命等特性，以及施工方便、造價(jià)低等優(yōu)勢，在國內迅速推廣使用，其他非金屬塑料質(zhì)管道也得以飛速發(fā)展。隨之，工程物探領(lǐng)域聲波探測設備的爆發(fā)式增長(cháng)，為非金屬管道探測打開(kāi)了新的大門(mén)。筆者結合多年探測經(jīng)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(xiàn)金屬探測法、主動(dòng)聲源探測法；探地雷達法、被動(dòng)聲源探測法、慣性定位法、定位標志法；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(xiàn)金屬探測法

CJJ33―2005《城鎮燃氣輸配工程施工及驗收規范》第7.2.9條規定：PE燃氣管道敷設時(shí)，應在管頂同時(shí)隨管道走向敷設示蹤線(xiàn)，示蹤線(xiàn)的接頭應有良好的導電性，用于對管道的探測、追蹤及定位。該方法基于金屬管道探測原理，通過(guò)探管儀發(fā)射機給示蹤線(xiàn)施加電磁信號，由接收機接收信號對示蹤線(xiàn)進(jìn)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(fā)射機信號線(xiàn)與示蹤線(xiàn)金屬線(xiàn)芯直連，將交變電流直接注入示蹤線(xiàn)，通過(guò)探測示蹤線(xiàn)產(chǎn)生的電磁強弱來(lái)確定其位置和埋深。該方法的優(yōu)點(diǎn)是信噪比高，不易受臨近管線(xiàn)干擾，探測結果比較準確；缺點(diǎn)是探測時(shí)需要示蹤線(xiàn)有裸露點(diǎn)來(lái)施加信號，對示蹤線(xiàn)接地要求高且中間不能斷開(kāi)，受施工影響大等。部分早期施工的PE管道未安裝示蹤線(xiàn)或示蹤線(xiàn)失效。

（2）夾鉗法[1]。用信號夾鉗套在示蹤線(xiàn)上使其產(chǎn)生感應電流，接收機追蹤探測該電流的磁場(chǎng)，達到定位定深目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作相對簡(jiǎn)便，不需要示蹤線(xiàn)有裸露點(diǎn)；缺點(diǎn)是感應信號偏弱且衰減較快，易被干擾，如示蹤線(xiàn)附近有其他金屬管線(xiàn)干擾則探測結果不準確。

現行示蹤線(xiàn)一般采用銅包鋼線(xiàn)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(xiàn)的選材及安裝尚無(wú)專(zhuān)業(yè)標準可依，施工現場(chǎng)存在不重視安裝示蹤線(xiàn)，示蹤線(xiàn)接地長(cháng)度較短、抗拉強度低等問(wèn)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(dòng)聲源探測法

該方法適用于任何能直接施加信號的非金屬管道，特別是未安裝示蹤線(xiàn)或示蹤線(xiàn)失效的PE燃氣管道。主動(dòng)聲源探測設備一般稱(chēng)為非金屬管線(xiàn)定位儀。其原理是通過(guò)音頻驅動(dòng)器（發(fā)射機）向非金屬管道發(fā)射特定頻率的聲波信號，該信號沿管道定向傳播并發(fā)散傳播至地表，接收器在地面捕捉該聲波信號，通過(guò)信號強弱確定管道的平面位置[2]，如圖 1所示。

圖 1 非金屬管線(xiàn)定位儀及探測示意

非金屬管線(xiàn)定位儀多采用主動(dòng)特殊頻率信號和超窄帶濾波技術(shù)，發(fā)射源與接收通道可一一對應，不會(huì )受到其他聲波及管道信號影響，抗干擾能力強，適用于任何環(huán)境下的管道探測。一般將音頻驅動(dòng)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(guò)鏈條與管道本體緊密捆綁在一起，產(chǎn)生的聲脈沖沿管道傳遞，通過(guò)拾音器接收的信號強弱來(lái)定位，也可探測主管道和支線(xiàn)管道的互通信號。探測時(shí)無(wú)需開(kāi)挖、停氣，連接快速、定位準確。但該設備無(wú)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(zhì)路面下的管道較易探測，泥土地、綠化地下的管道由于土壤傳播聲波較差則不易探測，復雜地形環(huán)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(zhì)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(zhì)分布，通過(guò)剖面掃描方式獲得地下剖面的掃描圖像。雷達通過(guò)在地面上移動(dòng)的發(fā)射天線(xiàn)向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到不同的電性界面時(shí)，就會(huì )發(fā)生反射、透射和折射。電介質(zhì)間的電性差異越大，反射回波能量也越大。反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線(xiàn)同步移動(dòng)的接收天線(xiàn)接收后，通過(guò)雷達主機精確記錄反射回波到達的時(shí)間、相位、振幅、波長(cháng)等特征，再通過(guò)信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數據加工處理后，形成地下剖面的掃描圖像。判讀雷達圖像便可得到地下各種介質(zhì)的分布位置和狀態(tài)，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(jià)格昂貴，對實(shí)施探測的場(chǎng)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(zhì)條件密接相關(guān)，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，復雜環(huán)境下難以分辨和確認目標管道。探測結果解譯過(guò)程繁瑣，物探工程師需要較多的內外業(yè)經(jīng)驗。實(shí)際工作中一般用于輔助管線(xiàn)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

該方法以前主要用于軍事設備、科研等領(lǐng)域，目前成功用于地下管道三維定位。適用于兩端開(kāi)口的非金屬管道（如排水管道），尤其適用于定向鉆施工的、有預留或備用通道的管道（如電力和通信管道）。不適用于在役中低壓PE燃氣管道。慣性定位法所用設備稱(chēng)慣導定位儀，其以慣性定律為原理，基于角動(dòng)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(tài)等信息。用陀螺儀感測位置和維持方向加速度并經(jīng)過(guò)一次積分得到速度、經(jīng)過(guò)二次積分得到位移。角速度經(jīng)過(guò)處理后得出慣導定位儀的俯仰、滾轉等姿態(tài)信息，固定管道起訖點(diǎn)三維坐標可自動(dòng)計算出線(xiàn)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制，能夠跨越大的河流、湖泊、建筑等，電磁干擾影響較小。在慣導定位儀輪組的可用尺寸區間內，適用于施測任何材質(zhì)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(shí)空間位置。數據后處理速度快、精度高，可與主流繪圖軟件AutoCAD、ArcGIS等無(wú)縫銜接，成圖方便快捷。由于獲取的坐標數據兩端精度高、越靠近中點(diǎn)誤差越大，探測較長(cháng)距離管線(xiàn)需要地面定位系統輔助校正。

2.3  被動(dòng)聲源探測法

該方法多用于地下管線(xiàn)較少時(shí)的管道輔助探測，適用于全部淺埋金屬和非金屬管道，市政公用管道應用較多。典型設備如美國杰恩公司APL聲學(xué)管線(xiàn)定位儀（圖 3）。其工作模式類(lèi)似于探地雷達，通過(guò)發(fā)射器向地面發(fā)射探測聲波（探地雷達是發(fā)射電磁波），接收器接收探測聲波的反射波，完成一次“斷面探測”，通過(guò)多次斷面探測記錄的反射波的強度、速度和持續時(shí)間等計算出地下管道的位置、管徑等信息。

圖 3 APL聲學(xué)管線(xiàn)定位儀及探測示意

被動(dòng)聲源探測設備可定位任意材質(zhì)的管道，無(wú)需管道露出也無(wú)需連接管道，操作過(guò)程和數據分析簡(jiǎn)單，鋪裝路面、草地等各種埋地環(huán)境下的管道均可使用。其缺點(diǎn)也是在相對復雜環(huán)境下難以區分目標管道，分辨率與管徑和埋深關(guān)系密切，對大埋深管道（超過(guò)2 m）探測能力有限，目標管道與埋設環(huán)境的物性差異越大，探測效果越好。

2.4  定位標志法

該方法可用于精確定位地下管道和設施[4]，尤其適用于維搶修后管道的定位標記，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于地下設施特征點(diǎn)處，如套管端點(diǎn)、非開(kāi)挖端點(diǎn)、連接處、分支點(diǎn)、末端 、地下暗井暗閥等特征部位，記標探測器靠近時(shí)被激發(fā)向地上發(fā)射特定信號，同時(shí)記標探測器接收信號并通過(guò)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鉆洞工具挖一個(gè)小孔將記標埋于管道需設置記標處，或在維搶修結束、回填時(shí)布設。

圖 4 記標（電子信標器）及探測定位示意

該方法可以自成系統獨立使用，也可以與示蹤線(xiàn)配合使用，有效彌補示蹤線(xiàn)中斷后無(wú)法探測非金屬管道的缺點(diǎn)，不會(huì )受到鄰近金屬管道、強電場(chǎng)、強磁場(chǎng)等干擾，可在埋設復雜、擁擠的環(huán)境中輕松識別目標管道及其種類(lèi)和屬性，探測精度高。記標使用壽命長(cháng)，可覆蓋管道全生命周期。目前國內記標產(chǎn)品還不太豐富，施工、運營(yíng)接受程度低，非開(kāi)挖施工不適用。

3  結語(yǔ)

目前非金屬管道探測技術(shù)逐漸成熟，但部分探測單位對這一領(lǐng)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(fā)的質(zhì)量事故或安全事故。綜合來(lái)看，地下非金屬管道探測方法多種多樣，但沒(méi)有任何一種技術(shù)和設備能勝任所有探測任務(wù)。應結合實(shí)地探測環(huán)境，充分利用圖檔資料，優(yōu)先選用簡(jiǎn)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(yíng)和工程建設提供詳實(shí)可靠的資料。

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作者簡(jiǎn)介：呂紅濤，1984年生，本科，工程師，主要從事地下管線(xiàn)探測和工程測量等相關(guān)工作。聯(lián)系方式：15830623208，411917127@qq.com。