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(fù)合材料等。地下管道的位置、走向和埋深等指標(biāo)，對管道的運營安全、檢測維修、第三方工程建設(shè)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(qiáng)化在役管道的安全保護(hù)。

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(jiān)督局、建設(shè)部相繼頒布聚乙烯（PE）燃?xì)夤懿摹⒐芗�的國家�?biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)行業(yè)規(guī)程以來，PE燃?xì)夤芤蚱淠透�蝕、高韌性、撓性優(yōu)及耐開裂和長壽命等特性，以及施工方便、造價低等優(yōu)勢，在國內(nèi)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(shè)備的爆發(fā)式增長，為非金屬管道探測打開了新的大門。筆者結(jié)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，分別包括示蹤線金屬探測法、主動聲源探測法；探地雷達(dá)法、被動聲源探測法、慣性定位法、定位標(biāo)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  示蹤線金屬探測法

CJJ33―2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀炇找?guī)范》第7.2.9條規(guī)定：PE燃?xì)夤艿婪笤O(shè)時，應(yīng)在管頂同時隨管道走向敷設(shè)示蹤線，示蹤線的接頭應(yīng)有良好的導(dǎo)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，通過探管儀發(fā)射機(jī)給示蹤線施加電磁信號，由接收機(jī)接收信號對示蹤線進(jìn)行準(zhǔn)確定位和定深，從而推算出PE燃?xì)夤艿赖木唧w位置。

（1）直連法[1]。發(fā)射機(jī)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(chǎn)生的電磁強(qiáng)弱來確定其位置和埋深。該方法的優(yōu)點是信噪比高，不易受臨近管線干擾，探測結(jié)果比較準(zhǔn)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(chǎn)生感應(yīng)電流，接收機(jī)追蹤探測該電流的磁場，達(dá)到定位定深目的。這種方法的優(yōu)點是操作相對簡便，不需要示蹤線有裸露點；缺點是感應(yīng)信號偏弱且衰減較快，易被干擾，如示蹤線附近有其他金屬管線干擾則探測結(jié)果不準(zhǔn)確。

現(xiàn)行示蹤線一般采用銅包鋼線芯，與PE燃?xì)夤艿蓝ň嗬�綁敷設(shè)。目前PE燃?xì)夤艿涝O(shè)計和施工中對示蹤線的選材及安裝尚無專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可依，施工現(xiàn)場存在不重視安裝示蹤線，示蹤線接地長度較短、抗拉強(qiáng)度低等問題，導(dǎo)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或示蹤線失效的PE燃?xì)夤艿馈Ｖ鲃勇曉刺綔y設(shè)備一般稱為非金屬管線定位儀。其原理是通過音頻驅(qū)動器（發(fā)射機(jī)）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，通過信號強(qiáng)弱確定管道的平面位置[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(shù)，發(fā)射源與接收通道可一一對應(yīng)，不會受到其他聲波及管道信號影響，抗干擾能力強(qiáng)，適用于任何環(huán)境下的管道探測。一般將音頻驅(qū)動器與燃?xì)夤艿栏綄俳涌冢ǚ派⒖凇⒎ㄌm、調(diào)壓設(shè)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(chǎn)生的聲脈沖沿管道傳遞，通過拾音器接收的信號強(qiáng)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(zhǔn)確。但該設(shè)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(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(fù)雜地形環(huán)境下難以分辨確認(rèn)目標(biāo)管道。

2  輔助探測方法

2.1  探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)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(shù)差異為物理條件，使用高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，通過剖面掃描方式獲得地下剖面的掃描圖像。雷達(dá)通過在地面上移動的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到不同的電性界面時，就會發(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)射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達(dá)主機(jī)精確記錄反射回波到達(dá)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(shù)據(jù)加工處理后，形成地下剖面的掃描圖像。判讀雷達(dá)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(biāo)管道的位置和深度[3]，如圖 2所示。

圖 2 探地雷達(dá)法探測效果圖

探地雷達(dá)設(shè)備價格昂貴，對實施探測的場地有較高要求，探測準(zhǔn)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(qū)探測非金屬管道效果不理想，復(fù)雜環(huán)境下難以分辨和確認(rèn)目標(biāo)管道。探測結(jié)果解譯過程繁瑣，物探工程師需要較多的內(nèi)外業(yè)經(jīng)驗。實際工作中一般用于輔助管線探測，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

該方法以前主要用于軍事設(shè)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(yù)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?xì)夤艿馈�慣性定位法所用設(shè)備稱慣導(dǎo)定位儀，其以慣性定律為原理，基于角動量守恒定律，以陀螺儀和加速度計為敏感元件，應(yīng)用航跡推算法提供慣導(dǎo)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)過一次積分得到速度、經(jīng)過二次積分得到位移。角速度經(jīng)過處理后得出慣導(dǎo)定位儀的俯仰、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)信息，固定管道起訖點三維坐標(biāo)可自動計算出線性坐標(biāo)信息，達(dá)到探測管道位置和埋深的目的。

慣導(dǎo)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(dǎo)定位儀輪組的可用尺寸區(qū)間內(nèi)，適用于施測任何材質(zhì)管道。其配套軟件可以設(shè)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(shù)據(jù)后處理速度快、精度高，可與主流繪圖軟件AutoCAD、ArcGIS等無縫銜接，成圖方便快捷。由于獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)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面定位系統(tǒng)輔助校正。

2.3  被動聲源探測法

該方法多用于地下管線較少時的管道輔助探測，適用于全部淺埋金屬和非金屬管道，市政公用管道應(yīng)用較多。典型設(shè)備如美國杰恩公司APL聲學(xué)管線定位儀（圖 3）。其工作模式類似于探地雷達(dá)，通過發(fā)射器向地面發(fā)射探測聲波（探地雷達(dá)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”，通過多次斷面探測記錄的反射波的強(qiáng)度、速度和持續(xù)時間等計算出地下管道的位置、管徑等信息。

圖 3 APL聲學(xué)管線定位儀及探測示意

被動聲源探測設(shè)備可定位任意材質(zhì)的管道，無需管道露出也無需連接管道，操作過程和數(shù)據(jù)分析簡單，鋪裝路面、草地等各種埋地環(huán)境下的管道均可使用。其缺點也是在相對復(fù)雜環(huán)境下難以區(qū)分目標(biāo)管道，分辨率與管徑和埋深關(guān)系密切，對大埋深管道（超過2 m）探測能力有限，目標(biāo)管道與埋設(shè)環(huán)境的物性差異越大，探測效果越好。

2.4  定位標(biāo)志法

該方法可用于精確定位地下管道和設(shè)施[4]，尤其適用于維搶修后管道的定位標(biāo)記，在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿馈⑹姓�給排水管道等應(yīng)用最多。定位設(shè)備主要由記標(biāo)（電子信標(biāo)器）和記標(biāo)探測器組成。根據(jù)需要將記標(biāo)埋置于地下設(shè)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(biāo)探測器靠近時被激發(fā)向地上發(fā)射特定信號，同時記標(biāo)探測器接收信號并通過聲頻變化和屏顯數(shù)據(jù)告知操作者地下設(shè)施信息，如圖 4所示。已鋪設(shè)的管道可使用鉆洞工具挖一個小孔將記標(biāo)埋于管道需設(shè)置記標(biāo)處，或在維搶修結(jié)束、回填時布設(shè)。

圖 4 記標(biāo)（電子信標(biāo)器）及探測定位示意

該方法可以自成系統(tǒng)獨立使用，也可以與示蹤線配合使用，有效彌補(bǔ)示蹤線中斷后無法探測非金屬管道的缺點，不會受到鄰近金屬管道、強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場等干擾，可在埋設(shè)復(fù)雜、擁擠的環(huán)境中輕松識別目標(biāo)管道及其種類和屬性，探測精度高。記標(biāo)使用壽命長，可覆蓋管道全生命周期。目前國內(nèi)記標(biāo)產(chǎn)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(jié)語

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(rèn)知還停留在早期階段，從而導(dǎo)致一些因探測數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)而引發(fā)的質(zhì)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(shù)和設(shè)備能勝任所有探測任務(wù)。應(yīng)結(jié)合實地探測環(huán)境，充分利用圖檔資料，優(yōu)先選用簡單高效輕便的探測方式，準(zhǔn)確采集信息，為地下管道安全運營和工程建設(shè)提供詳實可靠的資料。

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黃輝，許偉.在役埋地PE管道探測技術(shù)探析[J].化工管理，2017(31)：153-154.

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