埋地地下非金属管道探测方法概述知识分享
埋地地下非金属管道探测方法概述知识分享
摘要：非金属管道材质主要有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯、混凝土、玻璃纤维及复合材料等。地下管道的位置、走向和埋深等指标，对管道的运营安全、检测维修、第三方工程建设等都有较大影响。全面梳理了地下非金属管道常用探测方法及其原理，分析了各方法利弊及适用性，以期提高地下管道探测能力和精度，强化在役管道的安全保护。
从1995年原国家技术监督局、建设部相继颁布聚乙烯（PE）燃气管材、管件的国家标准和工程技术行业规程以来，PE燃气管因其耐腐蚀、高韧性、挠性优及耐开裂和长寿命等特性，以及施工方便、造价低等优势，在国内迅速推广使用，其他非金属塑料质管道也得以飞速发展。随之，工程物探领域声波探测设备的爆发式增长，为非金属管道探测打开了新的大门。笔者结合多年探测经验，将地下非金属管道常用探测方法归纳为主探测方法、辅助探测方法和其他物探方法，分别包括示踪线金属探测法、主动声源探测法；探地雷达法、被动声源探测法、惯性定位法、定位标志法；全方位电法、地震映像法等。本文介绍其中6种主要方法。
1、主探测方法
1.1 示踪线金属探测法
CJJ33―2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》第7.2.9条规定：PE燃气管道敷设时，应在管顶同时随管道走向敷设示踪线，示踪线的接头应有良好的导电性，用于对管道的探测、追踪及定位。该方法基于金属管道探测原理，通过探管仪发射机给示踪线施加电磁信号，由接收机接收信号对示踪线进行准确定位和定深，从而推算出PE燃气管道的具体位置。
（1）直连法[1]。发射机信号线与示踪线金属线芯直连，将交变电流直接注入示踪线，通过探测示踪线产生的电磁强弱来确定其位置和埋深。该方法的优点是信噪比高，不易受临近管线干扰，探测结果比较准确；缺点是探测时需要示踪线有裸露点来施加信号，对示踪线接地要求高且中间不能断开，受施工影响大等。部分早期施工的PE管道未安装示踪线或示踪线失效。
（2）夹钳法[1]。用信号夹钳套在示踪线上使其产生感应电流，接收机追踪探测该电流的磁场，达到定位定深目的。这种方法的优点是操作相对简便，不需要示踪线有裸露点；缺点是感应信号偏弱且衰减较快，易被干扰，如示踪线附近有其他金属管线干扰则探测结果不准确。
现行示踪线一般采用铜包钢线芯，与PE燃气管道定距捆绑敷设。目前PE燃气管道设计和施工中对示踪线的选材及安装尚无专业标准可依，施工现场存在不重视安装示踪线，示踪线接地长度较短、抗拉强度低等问题，导致连接断接、施工缠绕造成定位定深误差较大。
1.2 主动声源探测法
该方法适用于任何能直接施加信号的非金属管道，特别是未安装示踪线或示踪线失效的PE燃气管道。主动声源探测设备一般称为非金属管线定位仪。其原理是通过音频驱动器（发射机）向非金属管道发射特定频率的声波信号，该信号沿管道定向传播并发散传播至地表，接收器在地面捕捉该声波信号，通过信号强弱确定管道的平面位置[2]，如图 1所示。
图 1 非金属管线定位仪及探测示意
非金属管线定位仪多采用主动特殊频率信号和超窄带滤波技术，发射源与接收通道可一一对应，不会受到其他声波及管道信号影响，抗干扰能力强，适用于任何环境下的管道探测。一般将音频驱动器与燃气管道附属接口（放散口、法兰、调压设备等）使用快速接头连接，或通过链条与管道本体紧密捆绑在一起，产生的声脉冲沿管道传递，通过拾音器接收的信号强弱来定位，也可探测主管道和支线管道的互通信号。探测时无需开挖、停气，连接快速、定位准确。但该设备无法定深，探测距离受管径、压力、埋深、回填土密度等影响较大，如硬质路面下的管道较易探测，泥土地、绿化地下的管道由于土壤传播声波较差则不易探测，复杂地形环境下难以分辨确认目标管道。
2、辅助探测方法
2.1 探地雷达法
探地雷达是非破坏性探测仪器，它以地下各种介质的电阻率和介电常数差异为物理条件，使用高频电磁波探测地下介质分布，通过剖面扫描方式获得地下剖面的扫描图像。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电介质间的电性差异越大，反射回波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确记录反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理后，形成地下剖面的扫描图像。判读雷达图像便可得到地下各种介质的分布位置和状态，从而确定目标管道的位置和深度[3]，如图 2所示。
图 2 探地雷达法探测效果图
探地雷达设备价格昂贵，对实施探测的场地有较高要求，探测准备工作比较繁琐。探测效果与管道径深比、地质条件密接相关，管径越大、埋深越浅则探测效果越明显，富水地区探测非金属管道效果不理想，复杂环境下难以分辨和确认目标管道。探测结果解译过程繁琐，物探工程师需要较多的内外业经验。实际工作中一般用于辅助管线探测，以及验证判断是金属管道还是非金属管道。
2.2 惯性定位法
该方法以前主要用于军事设备、科研等领域，目前成功用于地下管道三维定位。适用于两端开口的非金属管道（如排水管道），尤其适用于定向钻施工的、有预留或备用通道的管道（如电力和通信管道）。不适用于在役中低压PE燃气管道。惯性定位法所用设备称惯导定位仪，其以惯性定律为原理，基于角动量守恒定律，以陀螺仪和加速度计为敏感元件，应用航迹推算法提供惯导定位仪位置、速度和姿态等信息。用陀螺仪感测位置和维持方向加速度并经过一次积分得到速度、经过二次积分得到位移。角速度经过处理后得出惯导定位仪的俯仰、滚转等姿态信息，固定管道起讫点三维坐标可自动计算出线性坐标信息，达到探测管道位置和埋深的目的。
惯导定位仪不受地形条件和深度限制，能够跨越大的河流、湖泊、建筑等，电磁干扰影响较小。在惯导定位仪轮组的可用尺寸区间内，适用于施测任何材质管道。其配套软件可以设置不同距离的采样间距，采样间距越短精度越高，更能贴合管道的真实空间位置。数据后处理速度快、精度高，可与主流绘图软件AutoCAD、ArcGIS等无缝衔接，成图方便快捷。由于获取的坐标数据两端精度高、越靠近中点误差越大，探测较长距离管线需要地面定位系统辅助校正。
2.3 被动声源探测法
该方法多用于地下管线较少时的管道辅助探测，适用于全部浅埋金属和非金属管道，市政公用管道应用较多。典型设备如美国杰恩公司APL声学管线定位仪（图 3）。其工作模式类似于探地雷达，通过发射器向地面发射探测声波（探地雷达是发射电磁波），接收器接收探测声波的反射波，完成一次“断面探测”，通过多次断面探测记录的反射波的强度、速度和持续时间等计算出地下管道的位置、管径等信息。
图 3 APL声学管线定位仪及探测示意
被动声源探测设备可定位任意材质的管道，无需管道露出也无需连接管道，操作过程和数据分析简单，铺装路面、草地等各种埋地环境下的管道均可使用。其缺点也是在相对复杂环境下难以区分目标管道，分辨率与管径和埋深关系密切，对大埋深管道（超过2 m）探测能力有限，目标管道与埋设环境的物性差异越大，探测效果越好。
2.4 定位标志法
该方法可用于精确定位地下管道和设施[4]，尤其适用于维抢修后管道的定位标记，在城镇燃气管道、市政给排水管道等应用最多。定位设备主要由记标（电子信标器）和记标探测器组成。根据需要将记标埋置于地下设施特征点处，如套管端点、非开挖端点、连接处、分支点、末端 、地下暗井暗阀等特征部位，记标探测器靠近时被激发向地上发射特定信号，同时记标探测器接收信号并通过声频变化和屏显数据告知操作者地下设施信息，如图 4所示。已铺设的管道可使用钻洞工具挖一个小孔将记标埋于管道需设置记标处，或在维抢修结束、回填时布设。
图 4 记标（电子信标器）及探测定位示意
该方法可以自成系统独立使用，也可以与示踪线配合使用，有效弥补示踪线中断后无法探测非金属管道的缺点，不会受到邻近金属管道、强电场、强磁场等干扰，可在埋设复杂、拥挤的环境中轻松识别目标管道及其种类和属性，探测精度高。记标使用寿命长，可覆盖管道全生命周期。目前国内记标产品还不太丰富，施工、运营接受程度低，非开挖施工不适用。
3、结语
目前非金属管道探测技术逐渐成熟，但部分探测单位对这一领域的认知还停留在早期阶段，从而导致一些因探测数据不精准而引发的质量事故或安全事故。综合来看，地下非金属管道探测方法多种多样，但没有任何一种技术和设备能胜任所有探测任务。应结合实地探测环境，充分利用图档资料，优先选用简单高效轻便的探测方式，准确采集信息，为地下管道安全运营和工程建设提供详实可靠的资料。