张征 赵俊兰 张政委
（北方工业大学土木工程学院，中国 北京 100144）
【摘要】以北方工业大学校园地下管线探测，阐述了地下管网探测的基本程序和方法，用无源方式直读法对校园的电力线进行了地理物探探测试验，使用有源方式直读法对给水管线进行了详细的探测，通过峰值法，谷值法，以及70%法进行了数据采集。并对其数据进行了数据处理，通过对中误差，限差，以及数据稳定性的分析，得出地下管线探测的最佳方法是70%法，其精度高，稳定性强。
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关键词 地下管线；探测方法；实践
【Abstract】The detection of underground pipeline to the campus of North China University of Technology, expounds the basic procedure and method ofunderground pipeline network, the test detected geographical geophysical passiveway direct reading method of power line on the campus, the use of the active modedirect reading method for water supply pipeline in detail detection, the peak, valleyvalue method, and the 70% method the data acquisition. And the data processing,the error, tolerance, and analysis of data stability, the optimum method of the detection of underground pipeline is the 70% method, which has high precision,strong stability.
【Key words】Underground pipeline；Detection method；Practice
0 引言
校园地下管线，是学校基础建设设施的重要组成部分，是规划、建设、管理的重要基础信息，是城市赖以生存和发展的物质基础。校园地下管网是信息、能源、物质的载体，随着校园建设发展，各类地下管线不断增加，但因管理不善，未能及时进行竣工测量，使得地下管线资料残缺现状日益增长，严重地制约和影响学校规划，建设、管理的科学化，现代化进程。因此查明地下管线的平面位置、走向、埋深（或高程）、规格、性质、材质等，并编制地下管线图，建立地下管线信息管理系统，对地下管线动态更新，确保校园管网信息的实时性，实现校园数字化信息化建设，为校园规划建设、地下管线维修提供依据。
1 地下管线探测技术方案
地下管线探测包括探查和地下管线测绘两个基本内容。地下管线探查是通过现场调查和不同的探测方法探寻各种管线的埋设位置和深度，并在地面上设立测量点，即管线点；地下管线测绘是对已查明的地下管线位置即管线点的平面位置和高程进行测量，并编绘地下管线图，包括对新建管线的施工测量和竣工测量。城市地下管线探测应根据地下规划管理部门或公用设施建设部门的要求、依据《城市地下管线探测技术规程》进行，其范围包括道路、广场等主干管线通过的区域。
1.1 地下管线探测的工作模式
地下管线的类型及其特点依据行业标准《城市地下管线探测技术规程》的规定，可分为9大类，即给水、排水、燃气、热力、工业、电力、电信、综合管沟和人防管线；各类管线上设有不同的建筑物、构筑物、以及附属设施。在管线探测和普查时，不仅要精确地下管线的位置、走向、埋深，同时还要实地调查管线的断面、电缆根数、传输物体特征、敷设时间和单位以及管理部门等。上述与管线有关的空间信息和属性信息统称为地下管线信息，地下管线空间信息用统一坐标系（高斯-克吕格平面直角坐标系即高斯坐标统）中的坐标X、Y、Z来表示，属性信息用字符或数字进行描述。地下管线探测采用实地调查、仪器探查、测量与机助制图内外业一体化作业，同步建库工作模式。具体方案是：充分利用专业管线权属单位已有资料，在根据现况调绘基础上，以开井调查与仪器探测结合、解析法测绘、机助成图一体化作业获取管线数据，同步建立地下管线信息系统。实现规划与管线运行维护的现代化管理。
1．1．1 工作原理
根据物理学中电磁感应定律可知，当通过一闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电流，而导体的电流又在周围空间产生磁场。地下管线探测仪就是利用这一工作原理。即:由发射机发出交变的电磁场，通过感应或连接的方法，使之作用到埋在地下的金属管线上，管线可视为无限长，这样在管线上就会产生感应电流。用接收机接收感应电流产生的磁场， 以此来确定管线的平面位置及埋深。目前国内外流行的管道探测仪，无一不是利用频率域电磁法的原理进行设计的。无论是双天线测“梯度”值 ，还是单天线测磁场各个分量，其基本的解析式为：
Hz=μIX/2π(x2+h2 )（1）
（1）式中，μ为周围介质的磁导率；I 为电流强度；h 为观测剖面线至管线的距离，当观测线布在地面上时，该距离即为管线的埋深 ；X为观测点至管线在地面的投影的距离。
1.1.2 技术标准
地下管线探测精度及探测基本地形图比例尺的选择，按照中华人民共和国行业标准《城市地下管线探测技术规程》GJJ61-94及《城市测量规范》GJJ8-85的要求执行。校园管线探测基本地形图比例尺选择1:500，探查定位精度要求按表1-表4执行。测量管线点的解析坐标中误差不大于±5cm，高层中误差不大于±2cm。城市管线探测按照行业规范要求，采用与城市统一的坐标和高程系统为北京城市63坐标系和85国家高程基准。
注：1.h为地下管线的中心埋深，以厘米为计；2.当h≤70cm时，埋深限差用h=70cm代入计算；水平位置限差仍用实际h值代入计算；3.如果对探查精度有特殊要求，可根据工程需要确定．
1.1.3 技术路线
数字地下管线探测动态更新内外业一体化的核心,是各工序的无缝衔接,最大限度地减少手工介入的程度,最大限度地实现自动化。管线探测是一个数据在内外业交叉循环的过程,在一体化工艺技术中,也要实现数据的交互性与可逆性。外业探测与调查的数据,实时记录到PDA,不再在使用人工草图,内业将PDA数据传输到计算机,进行调查表输出、坐标校正、数据编辑、成果输出等工作。一体化的关键技术要实现管线探测的一体化,重点是解决野外数据的记录和存储问题,以及内外业的衔接问题;而野外数据记录和存储,重点则是安全、稳定和易用。
表3 市政公用管线探测取舍标准
2 地下管线信息数据采集
城市地下管线信息系统的野外数据采集包括探查和测绘两部分，地下管线全野外数据采集与处理是地下管线探测的关键工序之一，贯穿于整个城市地下管线探测作用施工过程，同时也是建立城市地下管线信息系统的基础。
2.1 地下管线探查
在管线探查中，对于明显管线点可采取直接开井调查，对于隐蔽管线点，由于管线类型不同，埋设年代不同，地质环境复杂等特点，一般采用资料结合探查并开挖验证的方法。在野外探测时必须选择施加最佳信号，且对除目标管线外的其它管线藕合最少的技术，探查前应在已知管线位置和埋深的地段做试验，对埋深探查求出改正值，再对未知管线进行探查。对明显管线点如接线箱 、仪表井等附属设施，采用直接法，直接调查、记录和测量，埋深小于4 .6m的管线，无干扰时，用按键直读法测量深度；对干扰较强场地可用 70 %法进行深度测量，对埋深一定要进行改正。对于多管线地区，可采用分别施加信号进行探测，同时把发射源线圈平行放在一条管线上，以探查相邻管线的位置和埋深，综合以上资料，踏勘、探查的结果，来最后确定管线的水平位置和埋深。对信号弱、干扰大、管线密集的地区，按 1 % ～ 5 %的比例开挖，验证探查的水平精度和埋深精度。
2.1.1 地下管线探查的基本步骤
资料分析和实地调查是地下管线探测的基本步骤 。在对管线权属单位提供的各类资料(如设计图纸、竣工图纸等)深入分析的基础上，实地调查各类明显管线点(包括接线箱、阀门、消 防栓、人孔井、手孔井、检修井等附属设施)进行直接开井并量取埋深、偏距、性质、种类等各种数据，填写地下管线点调查表，同时明确必须用仪器探查的管线段。
2.1.2 地下管线探测的关键步骤
在对管线权属单位提供的各类资料（如设计图纸、竣工图纸等）深入分析的基础上，实地调查各类明显管线点进行直接开井并量取埋深、偏距、性质、种类等各种数据，填写地下管线点调查表，同时明确必须用仪器探查的管线段，采用盲探方法探测隐蔽管线点。
2.1.3 地下管线探查仪器
仪器探查应根据探查条件、材质及管径等采取不同探查方法，校园地下管线探测采用英国Radio公司的RD4000PDL2型地下管线探测仪。工作频率为8KHz、33KHz、65KHz，有无源和有源两种工作方式，无源工作方式用来搜索一个区域内未知的电力电缆和其他管线，有源方式通过直接法和感应法用于地下管线路由的精确定位、深度测量和长距管线追踪。RD4000PDL2管线仪提供了峰值和谷值两种探测模式。谷值法定位直观快捷，单精度较差，主要用于快速追踪管线和验证峰值定位的精确性。峰值法的精度和抗干扰能力远远高于谷值法。
RD4000PDL2型地下管线探测仪管线定位 ：采用极大值法（峰值）或极小值法（谷值）。极大值法：即用管线仪两垂直线圈测定水平分量之差⊿Hx的极大值位置定位；若管线仪不能观测⊿Hx，可采用水平分量Hx极大值法定位。极小值法：用水平线圈测定垂直分量Hz的极小值定位。两种方法宜综合应用，对比分析，确定管线平面位置。
2.2 地下管线探查数据采集分析
地下管线探测中我们采用确定目标管线峰值响应的精确位置作定点定位（如图1所示），然后用直读法和70%法作管线探测测量（如图2 所示），在作业前，我们对已知管线段进行探测实验，确定探测仪的水平定位和竖直定位精度，测定结果：仪器的水平定位一致性好，精度符合要求，仪器直接探测略有误差，用70%法探测可达到精度要求。如果在无干扰的情况下，测量点两边5步范围内管线是直的，信号在10步范围内稳定，用直读法深度测量有很高的测量精度，且简单快捷。但在管线密集的地段，干扰信号较强，用直读法测量误差较大，需用70%法来测深。用几个不同的点读数做测量深度的检测。70%特征比值法：即HX极大值两侧的0.7比值点的距离即为管线的深度。70%法深度测量精度高，抗干扰性能力强，在特别复杂地段，采用多种方法，反复验证，以达到精确定位后的管线点，在实地上用红漆画“+”标记并在点附近标注编号，以提供地下管线测绘的依据。与此同时立即做好探测或调查内容记录。记录内容包括：点号、管性、点性、埋深、材质、管径、埋设日期等，管线探查后形成管线调查数据文件。
基于RD400PXL系列探测仪的几种在有源方式下的信号施加方法：①直连法 发射机一端接在金属管线上，另一端接地，将交变电流直接注入地下金属管线，观测管线电流产生的磁场。可对各种金属管线进行扫描定位、测深、连续追踪并区分相邻管线。由于管线电流产生的信号很强，故信噪比和分辨率均较高；但必须有金属管线出露点。在各种方法中，探测效果最好；②夹钳法 ：在无法将发射机信号输出端直接连在被测管线的情况下，可采用夹钳法。它将地下管线探测仪的专用夹钳套套在被测管线上，适用于管径较细的管线。优点简单便捷；③感应法：将发射机直接放在被测管线上方，依靠发射机的自身感应传导信号，使地下管线在谐变场的作用下，感应出谐变电流，地下管线中的二次谐变电流又会产生谐变电磁场，称二次场。在地面上通过接受线圈便可观测到二次磁场，这样便可知道地下管线的存在及具体位置。其缺点是信号较分散、易被干扰。RD400PXL系列探测仪管线定深采用70%特征点法及直读法。
使用RD400XL2/PDL2地下管线探测仪对校园的电力线进行无源方式的物探，在接收机的电力模式下应用上述各方法进行深度测量，读出的数据用于最后的数据分析与比较。 为了研究并探讨地下管线探测的最佳物探方法。分别在峰值与谷值状态下选择直读及70%法进行具体测深试验。记录各组数据，图3已知给水管线各种探测方法测深数据分析比较，70%法、谷值法、直读法测深数据分析如图4-图6所示，通过数据分析对比得出最佳的探深方法和测量方案。
深度测量：不能用接收机的电力和无线电模式作深度测量；应在管线的中段进行深度测量，探测的深度必须在测深范围内，这一点对大管径来讲是很关键的 ；不要在管线拐弯处和T形支管附近进行深度测量，至少要离开拐弯处5步以上才能得到最佳的精度；在有强烈干扰或部分发射机信号已耦合到邻近管线上时，深度测量是不准确的；深度测量时应避免用感应法施加信号，如果别无选择，则发射机必须离开深度测量点至少30步远；若发射机信号正在向邻近管线传输，则应该用双端连接法将信号施加到目标管线上。
无论是有源模式还是无缘模式，70%法在定深方面单点合格率与稳定性都是最好的。特别是在峰值模式下，合格率与稳定性都保持在90%左右，可以满足地下管线探测精度需要。经过修正以后，用70％法测得的数据中误差明显减小，经过平均值计算中误差合格率甚至达到了100%（＜5cm），经真值计算出的中误差合格率也提高到60％，两个未满足要求的中误差也有大幅度的降低。所以，在实际测量工程中，忽略个别误差较大值后，得到的埋深基本上可以满足要求。与70%法比较起来，直读法的稳定性稍差，在单管单线情况下，可以满足工程要求。谷值模式下，除在测量范围内几乎只有一条管线的情况下，稳定性极差，不能满足工程要求。
经过修正以后，应用直读法和在谷值模式下得出的结果，其中误差合格率仍然没有得到提高。应用直读法得出的结果合格率保持在60％左右。在谷值模式下得出的结果合格率则只有20％。说明在进行深度测量时，70％的稳定性最好，其次为峰值模式下的直读法，而谷值模式基本上不能应用于深度测定。
2.3 地下管线测绘
地下管线测量，指的是为各种地下管线及其附属设施新建、扩建、改建的勘测设计、施工、竣工、验收、养护及营运管理等所进行的测量工作，其工作应包括以下内容：测区已有控制成果和地形图的收集、检测和修测；地下管线点的连测；测量成果的整理。本次地下管线测量是以外业探查现场绘制的草图为依据而进行的管线测量。地下管线测量的内容包括（1）建立地下管线测量控制网，为管线点联测和管线图测量提供基础；（2）进行管线点联测，确定管线点的坐标与高程；（3）地下管线图的测绘（即内业成图）。
2.3.1 控制测量
我们进行地下管线点测量时，与地面部分相结合进行。平面控制测量采用静态 gps 测量方式，在已有 C 级 GPS 点的基础上，布设 D 级、E 级 GPS 网作为测区首级控制，在此基础上进行 RTK 点加密作为图根控制。高程控制测量采用水准测量方式进行。D 级、E 级 GPS 网中各点均进行四等水准联测，对于测区内的埋石图根点联测等外水准，不埋石图根点使用 GPS 拟合高 程 。
2.3.2 管线点测量
地下管线点测量在已有各等级控制点的基础上进行，测量时使用索佳SET-500 型全站仪，采用极坐标法施测其平面位置，高程采用三等水准测量施测。由于管线点的测量比一般的地物碎部点测量精度要求高，测量时使用对中杆配合施测。野外采集的各管线特征点平面位置相对于邻近控制点不大于±5cm，高程测量中误差相对于邻近控制点不大于± 2cm。
3 结束语
实践证明，利用管线探测仪探测地下管线时，直接法比感应法探测效果好，分辨能力强，追踪距离远，精度高。在管线密集地区尽量不采用感应法，用直接法和夹钳法给目标管线施加发射机信号，选择较低的发射机频率降低信号的耦合能力，用峰值响应模式定位，70 %法测深度，减少偏差，提高精度。如只能用感应法探测时，必须搞清被测管线附近有无其它管线，若有其他管线干扰，应采取措施避免信号转移到其它管线上，利用感应法测定的埋深值误差较大 ，应引起重视。采用管线探测仪与开井调查相结合，全球定位系统(GPS )、全站型电子速测仪进行解析法测绘和计算机辅助成图一体化作业，同步建库，可确保地下管线信息系统数据的现势性和实现动态管理，以利于城市地下空间的综合开发和合理利用，真正满足地下管网现代化管理 的需要。
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［责任编辑：薛俊歌］