2019创新项目推广 | 超常大埋深地下管道探测及可视化分析系统

地下管线作为城市的重要基础设施之一，担负着供水、供气、供热、供电、排水、通讯等功能，是城市的主动脉和生命线，与人民群众的生活息息相关，科学、准确、完整的管线信息是地下管线管理、维护、安全运营的重要保障，制约着城市的发展。由于管线信息的不准确，在城市建设中破坏管线设施的事件每天都在发生，给人民群众及管线权属单位造成重大损失、甚至付出生命的代价。为此市政工程、工民建工程在方案确定之前，都要在施工区域进行管线资料的收集、确认。但当今管线敷设方式受益于非开挖技术的迅猛发展，跨越江河、铁路、公路、建构筑物等复杂地段已不存在技术困难。特别是最近几年，水平定向钻等非开挖技术在各种地下管线施工方面得到广泛应用。水平定向钻穿越的长距离（L>300米），埋深（h>5米）的管线经常出现。而到目前为止，市场上的大部分地下管线探测仪器标称探测深度h<5米，对于h>5米的管道探测精度则很低。磁法、地质雷达等物探方法作为管线探测仪的补充校核手段，无法定量，准确性和精度较低。陀螺仪测管线精度虽然较高，但引进顶管的探头设备探测管线时需要在管线上开天窗（停水、停气），影响大，代价高。

综上所述，特别是大埋深地下管道，因早期建设时提供资料不准确或地面环境发生变化，需要对管道进行准确的探测定位，才能够使建设施工安全顺利的进行。

最近30年来，常规管线仪得到了广泛的应用，对于导电材质的管线进行探测被实践证明是一种行之有效的手段。常规管线仪的接收机中有两个接收线圈：水平线圈和垂直线圈。在探测深度为5米以内的管线时，正常使用即可完成探测任务。但在地铁等重大工程中，管线探测深度有时要求达到20米甚至更深，现有常规管线仪显然不能满足工程需要。

   采用超深管线探测技术在不影响待测管道运营的基础上，准确采集管线的属性信息，为地铁设计与施工保驾护航，提供科学准确的数据，为决策提供依据，减少投资资金。

1）管线探测现状

最近30年来，常规管线仪得到了广泛的应用，对于导电材质的管线进行探测被实践证明是一种行之有效的手段。常规管线仪的接收机中有两个接收线圈：水平线圈和垂直线圈。在探测深度为5米以内的管线时，正常使用即可完成探测任务。但在地铁等重大工程中，管线探测深度有时要求达到20米甚至更深，现有常规管线仪显然不能满足工程需要。

2）研究思路

若要测得超深管线数据信息，不外乎从两方面着手：一是增大功率，但该办法势必造成噪声增加，影响数据的准确性；二是增大频率，但随着频率的增大，信号衰减很快，同样难以获得准确的管线数据。

常规规管线仪的探测和接收显示设备为一体化设计，虽携带方便、使用直观，但探测深度受限。本项目拟改装常规管线仪，将探测设备与接收显示设备分离，探测设备设计为棒式，以借助钻孔深入地层内部，采集的信息通过数据线传至地面的接收机，同时实现可视化。

创新点：利用常规管线探测仪低频特性，辅以长导线接地的方式获得管线的大概位置及埋深，在偏离待测管线2米左右的安全位置钻孔，利用改造后的小型化管线探测仪，在深度方向接近待测管线，当接收机信号最大时，表明接收机所处的位置与待测管线间距最小，此时探棒与待测管线大致处于同一水平面，从而确定管线的埋深和位置。

参照目前现有各种探测仪器设备基础上，综合其优点研制开发一款专用于大埋深地下管线探测的仪器与方法，采用电磁方法原理，向被探测的目标管线发射一个电流信号，电流信号沿管线传播，并在管线周围产生信号电流电磁场，用接收机探测信号电流位置——即目标管道位置。本项目利用市场现有的电磁方法原理仪器设备，不改变信号发射机工作原理与构造，采用低频、增大其发射功率有利于提高探测灵密度。

利用现有管线探测接收机，不改变其工作原理，对现有接收机结构做变更，把其原来的一体化结构变为两部分，把原来仪器的信号接收线圈改为外置，变成可移动探头，探头通过导线与显示主机相连接；把显示部分变更为大屏幕显示（大小与便携式计算机相当），显示这部分包含信号处理机与显示屏幕。对现有接收机信号处理软件做相应的调整变更，使其能够实时显示探测信号强度和数据分析处理结果（即目标管线深度和水平面位置距离）。

按照研究思路首先制作出试验用样机，然后到现场做探测实验，对试验过程中发现的问题做改进处理，分析其试验探测应用方面的优缺点、分析总结整改项目的研究过程制定出适合我们所需要的研究使用的仪器设备，制造出定型的探测仪器。

2.1.1 探测方法原理

探测采用电磁方法原理，就是给管道施加一个电流信号，电流信号沿管道流动，由此在管道周围产生一个施加信号电流的电磁场。其电磁场强度和分布规律符合下面公式：

用一个感应线圈可以探测到管道电流信号磁感应强度分布情况（即仪器探头），通过分析信号电流磁感应强度变化情况可以判断出管道的位置所在。仪器探头磁感应强度信号大小分布规律符合下面公式：

探测时仪器探头线圈平面可以平行于地面放置，也可以垂直于地面放置。探头感应线圈平面垂直于地面放置时，如果探头位于地下管道的正上方，这时距离管道最近，探头线圈平面与磁感应线成90度夹角，线圈有效面积（A）最大，得到信号电流磁感应强度最大；当探头沿地平面偏离管道时，信号电流磁感应强度会减小，偏离管道越远信号电流磁感应强度就越小，这种探测方法称为峰值法探测，其磁感应强度分布符合公式（1）和（3）。如果探头线圈平面平行于地平面放置，当探头位于管道的正上方时，探头线圈平面与磁感应线成0度夹角，探头有效面积（A）为零，信号电流磁感应强度也就为零（由于探头形不成磁力线切割）。当探头偏离管道时，探头线圈平面与磁感应线形成度夹角（），产生有效面积，偏离越远，夹角越大，信号电流磁感应强度就越大，这种方法称为谷值法探测。所以采用谷值法探测时，探头感应磁场强度Bin可以写成：

峰值法探测时，通过在地下一定范围内不断移动探头，寻找磁感应信号最大点（即管道与探头垂直时）发现目标；而谷值法探测是通过在地面不断移动探头，寻找磁感应信号最小点（即管道与探头垂直时）发现目标。由此可以清楚判断探头位置正下方是否有目标管道。

2.2.2探测数据分析处理软件原理

探测超常大埋深管道位置，首先在探测目标管道附近打一个勘探小孔，通过把仪器探头放入孔内，逐步接近目标管道，探测误差会逐渐缩小。当采用峰值法或谷值法探测，如果探头放入桩孔后，仪器信号增益调到一定大时，目标管道磁场感应信号强度很小或接近于零，说明目标管道在孔正下方或距离很近；如果目标管道磁场感应信号有一定的值，说明目标管道不在桩孔正下方，与桩孔有一定水平距离。通过分析比较勘探孔内不同深度信号强度大小，可以判断出勘探孔与目标管道的水平距离和垂直距离。通过比较不同水平位置两个勘探孔探同一个深度磁场感应信号大小，可以分析出目标管道在勘探孔的方向，勘探孔探测示意图见图1。

如图1所示，探头在探测位置（1）、（2）处时，目标管道磁感应强度B1、B2由公式（5）（6）得：

通过实际探测可以得到位置（1）、（2）处目标管道磁场感应信号强度B1、B2的数值和位置（1）、（2）之间距离Δh。联立式（7）和式（11），可得到一个只含有L与h1的方程组，通过解方这个程组，即可得到勘探孔距目标管道的水平距离L和垂直埋深h1。

2.2.3研制仪器构造

超常大深地下管线位置探测专用仪器有三部分组成，信号发射机、接收信号探头、接收信号处理机（包括显示器、软件和附件）。如下图：

1）发射机 

2）接收机

线圈探头放置在事先打好孔内，如果管线埋深在20米，则孔深至少在25米或更深，探头在孔内上下移动，当探头与管道接近垂直时，信号强度最大。探头宜可采用高强度材料与勘察设备结合，如静力触探仪结合，实现打孔与探测同步。

3）终端显示(实时)

利用常规管线探测仪低频特性，辅以长导线接地的方式获得管线的大概位置及埋深，在偏离待测管线2米左右的安全位置钻孔，利用改造后的小型化管线探测仪，在深度方向接近待测管线，当接收机信号最大时，表明接收机所处的位置与待测管线间距最小，此时探棒与待测管线大致处于同一水平面，从而确定管线的埋深和位置。

参照目前现有各种探测仪器设备基础上，综合其优点研制开发一款专用于大埋深地下管线探测的仪器与方法，采用电磁方法原理，向被探测的目标管线发射一个电流信号，电流信号沿管线传播，并在管线周围产生信号电流电磁场，用接收机探测信号电流位置——即目标管道位置。本项目利用市场现有的电磁方法原理仪器设备，不改变信号发射机工作原理与构造，采用低频、增大其发射功率有利于提高探测灵敏度。

利用现有管线探测接收机，不改变其工作原理，对现有接收机结构做变更，把其原来的一体化结构变为两部分，把原来仪器的信号接收线圈改为外置，变成可移动探头，探头通过导线与显示主机相连接；把显示部分变更为大屏幕显示（大小与便携式计算机相当），显示这部分包含信号处理机与显示屏幕。对现有接收机信号处理软件做相应的调整变更，使其能够实时显示探测信号强度和数据分析处理结果（即目标管线深度和水平面位置距离）。

按照研究思路首先制作出试验用样机，然后到现场做探测实验，对试验过程中发现的问题做改进处理，分析其试验探测应用方面的优缺点、分析总结整改项目的研究过程制定出适合我们所需要的研究使用的仪器设备，制造出定型的探测仪器。

1、常规管线探测技术对于金属管道已经很成熟。

2、在不改变发射机的功能下对接收机进行小型化改装。

3、改装后的接收机与勘察设备结合，如与静力初探仪结合。

4、信号处理的可视化。

当今管线敷设方式受益于非开挖技术的迅猛发展，跨越江河、铁路、公路、建构筑物等复杂地段已不存在技术困难。特别是最近几年，水平定向钻等非开挖技术在各种地下管线施工方面得到广泛应用。水平定向钻穿越的长距离（L>300米），埋深（h>5米）的管线经常出现。而到目前为止，市场上的大部分地下管线探测仪器标称探测深度h<5米，对于h>5米的管道探测精度则很低。但此类管线对于重大工程（如地铁施工）影响很大，有的管道的改迁费用多达千万，甚至更高，科学合理的管线属性数据（平面位置、敷设深度）对于方案的确定起着举足轻重的作用，由于管线信息的不准确，在城市建设中破坏管线设施的事件每天都在发生，给人民群众及管线权属单位造成重大损失、甚至付出生命的代价。

应用此项技术可以为设计提供科学准确的管线数据，实现工程增值。

本项目主要技术特点和创新点如下所示：

本项目目前正在申请专利。

1、北京清河过河DN500高压燃气，探测深度14.7米；

2、合肥4号线南淝河过河给水DN600探测深度17.9米;

3、合肥4号线金寨路复杂路口燃气DN500探测深度13.6米;

满足了设计需求，为管线是否迁改及保护方式提供了科学的管线属性数据。

随着非开挖技术的发展，管线的埋深越来越深，常规的管线探测技术已经远远不能满足技术要求，不能准确的为地下工程为提供准确的管线属性数据，而形成两个极端：1、查不清，盲目的迁改，造成极大的浪费；2、野蛮施工，抱着侥幸的心里，导致管线的破坏，引起更大的次生灾害。所以超深管线的探测势在必行，是一种以小代价换取高收益的新型探测技术，应用越来越多。

（内容来自中国土木工程学会轨道交通分会，如有转载请标明出处）