河南理工大學畢業設計（論文）題目：地下管線探測技術研究與應用院（系部）地勘系專業名稱地球物理勘查技術年級班級學生姓名指導教師 2012年月摘要本論文主要內容是對利用頻率域電磁法，地下金屬管線探測技術應用的研究。使用直接充電法和感應法探測地下管線（埋深、走向、對管線追蹤），在使用儀器探測時的工作方法介紹。如何提高信噪比，在野外工作時問題的處理解決方法，要想使探測數據真實可靠，不但需要儀器的精確，還需要操作人員在野外能依靠經驗區分信號的可靠性，來解決等干擾帶來的問題，根據環境條件選擇最佳的工作頻率，取得最好的探測效果。關鍵詞：頻率域電磁法、RD8000、地下金屬管線、直接充電法、感應法。目錄第一章：引言 1第二章地下管線探測技術理論和研究 22.1地下管線探測的技術前提 22.2地下管線探測的技術特點 32.3地下管線探測技術方法 42.4地下管線探測的工作原則 6第三章用頻率域電磁法探測地下管線野外工作方法 73.1最佳工作頻率的選擇 73.2常用的工作方法 83.2.1直接充電法 83.2.2感應法 93.2.3夾鉗法 9第四章金屬管線探測原理 104.1管線儀器介紹 104.2管線位置及埋深的確定 114.3管線中影響信號電流大小的因素 13結束語 14致謝 15參考文獻 16第一章：引言地下管線使城市的重要基礎設施，它擔負著傳輸信息輸出能量及排放廢液的工作。由于歷史原因，我國許多城市地下管網分布不清，檔案管理不夠規范，這給城鎮、工礦企業的建設與改造以及管線的使用與維護帶來許多困難。因此，全面系統地勘察和測繪地下管網的分布，建立城市和廠礦企業地下管網數據庫，對城市的正常運營及改造擴建都有十分重要的意義。隨著經濟社會的迅猛發展和城市化進程的快速推進，城市的人口、資源、環境所帶來的壓力日益嚴重，城市的空間資源日益短缺，這就需要現代化城市的規劃、建設和管理必須把城市的地上和地下空間作為一個整體來考慮，地下空間是一種極其寶貴的資源，不可再生，一旦無序開發，就會產生不可挽回的損失。作為地下空間的主載體城市地下管線，是城市的重要基礎設施，是城市生存和發展的血脈，科學、準確、完整的地下管線現狀信息是地下管線安全、高效的保障。為保證地下管線信息的科學性、準確性和現勢性，目前國內通行的運做模式是：通過城市地下管線普查，建立綜合地下管線數據庫，進行地下管線竣工測量更新綜合地下管線數據庫。由于地下管網種類繁多，再加上不同歷史時期又遺留下大量廢棄管線，這些復雜情況給地下管網的勘察和測繪帶來很大困難。因此地下管網調查不僅需要研制系統化的，能夠對管線進行快速和有效跟蹤的儀器設備，而且也需要不斷研究和總結管網探測中的一些方法、技術，從而使地下管網探測這一地球物理勘探的新領域能得到迅速發展。第二章地下管線探測技術理論和研究地下管線可以被探測到是由于它與其周圍土壤介質之間存在有明顯的物性差異。一切地下管線與其周圍介質之間最明顯的物性差異就是其空間上的線性延續特征2.1地下管線探測的技術前提地下管線在空間上的線性延續特征是幾乎所有探測方法能夠區分地下管線和其它介質的最基本的物性前提。也就是說，我們只有在追蹤信號具有明確的線性延續特征時，才能說它有可能是一個地下管線信號。不同的探測方法可以依據不同的物性差異方面對這個線性特征加以檢測。比如：地下金屬管道的電導率、磁導率、介電常數等與大地土壤之間存在著較大的差異，于是我們可以應用電磁法針對其線性特征進行探測；地下管線的波阻抗與其周圍大地土壤之間存在著較大的差異，而且管線頂部一般具有弧形的空間形態，于是我們可以應用電磁波的折射和反射原理來對其進行探測。我們還可以利用地下非金屬管道的中空結構，應用電磁示蹤法對其進行探測等等。物性差異是探測可以實現的前提，但是要獲得明顯的探測成果還取決于差異的強度與技術手段之間的適應程度、以及人們對成果期望值的水平。在此前提下，無論采用充電法或感應法，都會探測到地下管線所引起的異常。從原理上講，在感應激發條件下，管線本身及導電介質均會產生渦流。對于那些直徑與埋深可比擬的管道而言，在地表所引起的異常即決定管線本身所產生的渦流，也決定于大地-管線-大地這個回路中的電流以及管線所聚集的、存在于導電介質中的感應電流。2.2地下管線探測的技術特點1.地下管線賦存的環境復雜，地下管線屬隱蔽工程，管線探測的區域多數在城區的繁華街道或廠礦的復雜地段，地面、地下以及空中干擾較大，不利于常規物探方法的開展。2.地下管線種類繁多，鋪設方式、管材和型號各異，由管線所形成的物理場的種類和變化較大，增加了管線探測的難度。3.地下管線探測要求儀器具有連續追蹤、快速定向、定點和定深的功能，同時要求能在現場作出準確的判斷。4.儀器應具有足夠的探測深度，有較高的分辨率和較強的抗干擾性能。地下管線探測技術一般具有經濟性、局限性和模糊性等幾個特點。=1\*GB2⑴．經濟性：經濟性是一種探測技術能否得到廣泛應用的一個前提條件。它包括使用的經濟性和購置的經濟性兩個方面。從使用的經濟性方面說，它要求儀器既要靈敏精確，又要小巧輕便，有較高的使用效率。購置的經濟性是指儀器的價格適合當時的社會經濟條件。經濟性是制約地下管線探測技術發展的一個關鍵性因素（例如地質雷達）。=2\*GB2⑵．局限性：地下管線探測技術的局限性主要體現在以下幾個方面：一是經濟性的特點使得探測技術的應用是不充分的，因此在探測技術方法的選擇上存在著一定的局限。二是任何探測方法都是有一定的適用條件的，具有其本身固有的局限性。三是探測結果往往是依據模糊的間接證據（探測信號）作出的，各種未知因素會對它造成干擾，依據它得出的結論往往有一定的局限性。四是探測者的知識水平和工作經驗往往會對結果造成一定的影響。在實際探測工作中，各種局限性相互交織在一起，共同對探測結果發揮作用。=3\*GB2⑶．模糊性：在實際的地下管線探測過程中，探測人員對其所處的工作環境中的電磁背景、地電條件、目標及非目標管線的狀況、以及它們之間的相互干擾關系等等是難以完全準確判斷預知的，探測方法是有局限性的，探測信號作為一種間接證據對其作出的判斷是有主觀性的，因此，整個探測工作是在一種模糊的狀態下進行的，探測結果也會因此帶有一定的模糊性。2.3地下管線探測技術方法常用的和較為有發展前景的探測方法包括電磁法、電磁波（地質雷達）法、磁梯度法、釬探法、綜合分析法、聲波法、紅外輻射法、以及其它方法等等。其中，前五種是現實應用的最基本的探測方法，后兩種是我個人認為今后可能會有一定的發展的探測方法。1．電磁法：簡單地說就是交變電磁場（一次場）可以在地下金屬管線上感應產生次級交變電磁場（二次場），由于一次場在空氣中的傳播距離有限，而二次場則可以沿金屬管線傳播很遠，所以我們可以在離開一次場的地方通過測量二次場來確定地下管線的位置。當然，我們也可以把交變電磁信號直接施加在地下金屬管線上進行探測。電磁法應用的是電磁感應原理，主要適用于地下各種金屬管道及金屬電纜的探測，而其中的示蹤法則專們用來探測開放式的地下非金屬管道。電磁法是目前最為主要的、應用最為廣泛的、也是最為精確高效的地下金屬管線探測方法。電磁法是目前地下管線探測的最核心的技術方法。它探測結果精確、探測方法多種多樣，可以適用于絕大多數情況下的地下金屬管線探測，是在包括技術理論、儀器生產和實際應用等方面都最為成熟的地下管線探測技術。電磁法探測的技術核心在于地下管線信號（即二次場）的激發方式上。通過試驗找到能夠清晰有效地激發出目標信號的方法，是實際工作的重點。一般主要通過變換工作頻率與信號施加方法這兩者的組合來完成。2．電磁波（地質雷達）法：將寬頻帶高頻短脈沖電磁波通過發射天線向地下發射，由于地下不同的介質往往具有不同的物理特性（介電性、導電性、導磁性等等差異），其對電磁波具有不同的波阻抗，進入地下的電磁波在穿過地下各地層或某一目標體時，由于界面兩側的波阻抗不同，電磁波在介質的界面上會發生反射和折射，反射回地面的電磁波脈沖，其傳播路徑、電磁場強度與波形將隨著所通過介質的電性質及幾何形態而變化，因此，從接收到的雷達反射回波走時、幅度及波形資料可以推斷地下介質的結構。用地質雷達探測地下管線應用的是電磁波的反射和折射原理，適用于地下金屬和非金屬管道及電纜的探測。它不僅可以探測位置和埋深，甚至可以探測地下管線的規格。我個人認為由于可以廣泛適用于地下金屬和非金屬管道的探測，地質雷達法是目前最需要通過技術提升以適應未來廣泛的地下非金屬管線探測的技術方法。3．磁梯度法：通過測量單位距離內地磁場強度的變化，可以發現近地表的金屬物體。主要用于探測被掩埋的金屬井蓋，缺點是易磁性體干擾。4．釬探法：沿管道可能的走向上垂直布設釬探點，在各個釬探點上先用沖擊鉆鉆透堅硬路面，再將鋼釬逐漸打下，直到超過管道可能的深度再換下一點重新開始，一直到打到管道為止。釬探需要避開地下電纜和其它地下重要設施，具有一定的危險性和破壞性，要求具有釬探經驗的技術人員現場指揮操作。當其它方法均不奏效時，釬探法往往是最后的選項。它也被事實證明是一種非常有效的探測方法，對解決難點幫助巨大。5．綜合分析法：搜集一切可以搜集的直接證據、間接證據以及相關參考，通過綜合的邏輯分析來判斷地下管線的真實情況，從而對地下管線精確定位。以供水管道為例，直接證據包括在明顯管線點上調查的閥門、消火栓、排氣閥、排污閥、預留口、減壓閥、檢修井、變徑、蓋堵、管徑、材質、埋深、管道出露位置以及用戶情況等等。間接證據則包括各種管網資料圖、各種探測方法所提供的信號信息等等。相關參考則包括探測方法的基本原理及技術理論、管道施工及管網布設的一般規律及本地特殊規律、干擾因素的估判、個人探測經驗、相關人士提供的管道信息等等。直接證據是最根本有效的探測依據，間接證據和相關參考都必須和直接證據存在邏輯關系才能成為探測依據。綜合分析法是地下管線探測中最根本最普遍的技術方法，它始終貫穿于各種探測方法之中，是探測得以實現的根本原因。6．聲波法：由于聲音在大地土壤中的傳播與沿地下管道傳播存在著差異，如果使一定頻率和強度的聲波沿管道傳播，通過儀器在地面尋找并接收這個聲波，就可以推斷出地下管道的位置和走向。它應用的是波的傳播原理，可以用于探測那些對測深精度要求不高的、或者深度數據可以通過調查彌補的金屬及非金屬管道。這一方法目前還有待于進一步的研究和開發。7．紅外輻射法：在有些地區、或者在某個季節里，地下供水管道中水的溫度較其周圍土壤偏低，使得我們有可能通過熱輻射檢測來確定地下管道的平面位置以及發現漏水。應用的是熱交換原理。它可以用于探測那些對測深精度要求不高的某些金屬及非金屬管道，具有一定的發展前景。8．其它可選方法：其它可選的物理探測方法還有：電阻率法、充電法、磁場強度法、淺層地震勘測法、面波法等等。這些也都具有良好的應用開發前景。也許，將來還會有一些前所未知的新技術、新方法也逐漸進入人們的視野，為我們提供更多的選擇。2.4地下管線探測的工作原則工作原則是由技術特點所決定的。進行地下管線探測，應該遵循以下四項基本原則：1、

從已知到未知，從未知到已知；2、

從簡單到復雜；3、

優先選擇簡單、快速、有效的方法；4、

通過方法試驗及信息綜合來解決探測疑難點。從已知到未知，從未知到已知：由于探測信號為我們提供的是地下管線位置的間接證據，它需要和直接證據發生明確的因果關系才能夠作為判斷的依據來使用，這就需要我們從已知出發、根據已知和未知的關系對未知做出判斷。而當我們得到一個探測信號的時候，也需要追索到已知來判斷它所代表的具體情況。從簡單到復雜：從復雜開始的探測往往交織著技術本身固有的局限性和模糊性以及探測信號的復雜性，常常會使探測變得了無頭緒。而從簡單開始的探測則降低了模糊性和復雜性的干擾，使推理判斷變得簡單易行，同時也提高了判斷的準確性。隨著探測由簡單向復雜的深入，復雜的問題也就迎刃而解了。優先選擇簡單、快速、有效的方法：這是由技術的經濟性特點所決定的。因為不具備經濟性的工作是無法長久持續下去的。通過方法試驗及信息綜合來解決探測疑難點：這是由技術的局限性和模糊性特點所決定的。由于地下管線探測方法往往都或多或少帶有局限性，探測的過程又帶有一定的模糊性，而探測疑難點往往或者具有信息復雜的特點、或者具有信息缺失的特點，多種情況的交織往往使得我們無法直接準確判斷應該采用那種方法最為有效。在這種情況下，進行各種各樣的現場方法試驗和信息綜合就成了我們無奈之下的理想選擇。實際工作經驗證明，通過現場方法試驗和信息綜合方法解決疑難點的原則是行之有效的。第三章用頻率域電磁法探測地下管線野外工作方法在外業操作采取數據應注意工作頻率的選擇，根據管線特征選取適合的方法。應注意的問題和提高數據的精度可靠度。3.1最佳工作頻率的選擇應用電磁法進行管線探測時，其應用效果取決于管線的具體情況及環境條件。為取得最好的探測效果，對每個工區都應通過實驗后選擇最佳工作頻率。目前，常用的管線探測儀的頻率范圍一般從數百赫茲至80KHz以上頻率選擇原則如下：一.1KHz以下：有利于長距離追蹤及對大直徑與埋深管道的探測。二.10KHz：10KHz左右的頻率使目前國內各類儀器采用較多大的頻率。可以用于感應法，對50Hz有一定抗干擾能力。在應用感應法時，在小直徑管線上較難產生較大的訊號電流。三.30KHz：30KHz左右的頻率比較容易將訊號感應到大部分管線上，是一種較常用的頻率。但追蹤距離較采用低頻時小，其探測深度也較小。四.80KHz以上：該頻率較容易感應耦合到鄰近平行管線，探測距離小，在管線復雜地區的應用受到限制。在干燥地區，可采用感應法探測小直徑電纜及短距離電纜，在地下水位較高的低阻地區，其應用效果較差。3.2常用的工作方法幾種常用的建立電磁場的方法，及其特點和使用情況。3.2.1直接充電法地下金屬管線一般都有出露在地表的部分，直接充電法是將低頻交流電源的一端接到這些出露點上如（消防栓、自來水表井、管道節門、水龍頭等），另一端接在離開管線較遠的地面上，或接在同一個管線的另一個出露點上，如圖1-1、1-2所示。此時被充電的地下管線相當于一個大電極，眼金屬管線便有傳導電流通過，在其周圍將產生交變電磁場。直接充電法就是觀測這種磁場來達到探測地下管線的目的。圖（1-1）圖（1-2）直接充電法工作方法簡便，效果好，是目前追索地下金屬管線最為有效的方法之一，但必須有管線出露點。3.2.2感應法用磁偶極源在地面上建立一個交變電磁場，如圖1-3、1-4所示。地下金屬管線在一次場的作用下，便會產生感應電流，電流在管線中流動，產生二次磁場。在地面上探測二次電磁異常，便可以確定地下管線的空間分布。圖（1-3）圖（1-4）3.2.3夾鉗法夾鉗法使利用夾鉗內的環形磁芯，把管線夾在中間，信號發生器輸出的交流信號流過磁芯的初級，繞組使磁環形成磁場，這個磁場就能有效地耦合到管線上，這樣在管線中就產生了感應電流如圖1-5、1-6所示。圖（1-5）圖（1-6）這種方法通常用于不允許中斷運行的電力電纜或通訊電纜，對多條電纜進行逐條分辨時，該方法有明顯的優點。對于非金屬管道，由于導電性極差，不能用通常的方法來探測，我們會用示蹤法來探測，由于該方法不常用在這里就不多做介紹。第四章金屬管線探測原理4.1管線儀器介紹RD8000是英國雷迪RADIODETECTION公司生產的一種儀器；它由一個發射裝置和一個接受裝置組成。因為RD8000是雷迪公司管線儀中功能最多，應用新技術，新方法最多的產品，知道了它的工作原理，其它產品可以舉一反三。RD8000PDL和PXL地下管線探測儀很好地繼承了RD4000PDL和PXL管道和電纜定位儀這一行業標準，地下管線探測儀RD8000在速度、精度和可靠性方面做了改進，1）基于人機工程學的設計：輕:1.87kg-28%、耗電低2D-cells、防水IP55、美觀的曲線外型設計、清楚的顯示屏。2）用戶設置：可選50/60Hz、可選公制/英制、可選語言、可選頻率和功能設置、關機時，保存所有設置。3)用戶特點:Centros?中央處理器、Compass羅盤、峰值箭頭、TruDepth?真實深度、StrikeAlert?穿透報警、定制頻率、電力模式下深度顯示。4）電力/無線電：24種主動頻率-ELF,CPS,440,560,570,577,LF680,760,800,8K,9.8K,33K,65K,83K,131K,200K；CDpairs;220,256,280,285,320,340,380,400。3種探棒頻率-512,8K,33K5）發射機：Tx-1,Tx-3，Tx-10，采用統一平臺，1,3，10瓦，6）結構：重量：2.8kg、8節D-cell電池盒、附件盒(地鉗、直連線、接地線)、插拔式附件(使用雷迪所有附件)、12V汽車充電器/電源充電器/絕緣、觸摸防水鍵盤、高對比度LCD顯示頻、環境光線觸發背景燈4.2管線位置及埋深的確定4.2.1峰值法定位由于地下管線所產生色電磁場的水平分量在其正上方為最大。所以，我們可以通過測量其水平分量并根據其極大值來確定管線的位置。同樣，由于地下管線所產生的地磁場的垂直分量在其正上方為最小，所以我們可以通過其垂直分量并根據其極小值來確定管線的位置。基本的電磁定律：通電導線產生磁場（右手法則）如圖1-7所示圖（1-7）當水平線圈軸線與通電導線垂直且處于通電導線正上方時，水平線圈信號最強。如圖1-8所示。圖（1-8）a)保持接收機天線與管線的方向垂直，橫過管線移動接收機。確定響應最大的點。b)不要移動接收機，原地轉動接收機，當響應最大時停下來。c)保持接收機垂直地面，在管線上方左右移動接收機，在響應最大的地方停下來。d)把天線貼近地面，重復（b）。e)重復（c）。f)標志管線的位置和方向。4.2.2管線深度測量當在管線上方找到極大值后，沿管線走向垂直方向左右移動，并保持接受線圈與地面垂直，儀器的讀數顯示較極大值減小30%時，其間的水平距離即為地下管線的埋深，如圖1-9所示。圖（1-9）70﹪法測量深度：這個方法在磁場變形嚴重，旁側管線影響比較大時使用。深度直接測量：RD8000支持探頭深度數據的直接顯示。地面探測定點采用十字交叉的方法。4.3管線中影響信號電流大小的因素管線中信號電流大小的意義：，管線中的電流大小對探測的影響最大。大的電流可以提高儀器的信噪比，增加儀器的探測深度。直連法時信號施加回路阻抗越小越好。具體就是R*及R**越小越好。4.3.1影響管線中信號電流增大的因素及措施直連法可以采用的具體措施：1)給接地棒澆水，這樣可以大幅度降低R*。2)紅色導聯線連接管道處，應該仔細打磨，保證接觸良好，對于通信光纜和對地絕緣良好的其它線纜，不要使用低頻，盡量使用高頻，靠導線與大地之間的等效電容降低R**，為信號提供一個回路。3)如果有條件，對絕緣良好的導線進行末段接地。4)增加發射機輸出功率夾鉗法時信號回路電阻越小越好。最好夾鉗兩側管線都有直接接地點，如果要用夾鉗法施加信號的管線對地絕緣，那么或者把夾鉗兩側的管線在遠端連起來，或者使用高頻，靠管線對地等效電容構成信號回路。夾鉗法增加管線電流的方法：增加發射機輸出功率、用高的感應頻率、對高阻管線進行兩端接地。感應法增加管線電流的方法：（注意方向）增加發射機輸出功率、用高的感應頻率、對高阻管線進行兩端接地、發射機盡量靠近要激發的目標管線。4.3.2接收機和發射機的方向性發射機的方向性：（感應法）當管線方向與發射機發射線圈軸線平行時，發射機無法給此管線施加感應信號，當發射機線圈軸線與待測管線垂直相交時，發射機無法給此管線施加感應信號，當發射機線圈軸線與待測管線垂直并且不相交時，發射機給管線上施加的感應電流最大。發射機方向性的利用：抑制非目標管線的感應干擾、抑制架空線路的感應干擾。接收機的方向性：當接收機線圈軸線與管線垂直時，接收機才能具備對此管線的最大靈敏度。管線方向探測：原地轉動接收機，當接收機峰值響應最大時，接收機刃面垂直方向即為管線方向。4.3.3