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摘要：地下管线探测对于城市建设的主要作用是能获取地下管线现状数据和保证地下管线信息的完整性和现势性。随着城市施工项目逐渐增多，为了保护地下管线的安全运行，地下管线探测技术显得日益重要。本文主要对管线探测的原理、方法进行了简单介绍，并对探测过程中的几个问题进行了简单分析。
关键词：地下管线探测；隐蔽点；
1 前言
地下管线是城市的重要基础设施，是城市正常运转的生命线。伴随着城市的不断扩大和日益繁荣，各种施工逐渐增多，如道路改扩建、市内桥梁和高架快速路桩基施工等,这些施工都可能对施工区域内管线造成影响甚至破坏，因此地下管线探测是相关施工前的必要步骤。
地下管线探测分为明显点调查和隐蔽点探测。明显点是肉眼可见的，如检查井、消防栓、接线箱等，这类管线点在现场直接调查量测并进行相关记录；隐蔽点是指需采用管线仪器探测来定位和定深的不可见的管线点，如埋设在地下的管线起始点、终止点、变径点、分支点等，这些隐蔽点的定位定深是管线探测中的关键。
2 地下管线探测原理
地下管线探测是一门比较复杂的专业技术，不同材质、埋深和地质条件的地下管线应采取不同的探测方法。现今用于管线探测的管线仪主要是利用电磁感应原理。
电磁感应法是通过对目标管线施加一定频率和适当强度的交变电磁场，该目标管线与大地之间便有相应的交变电流通过，该交变电流在其周围空间产生相同频率的交变电磁场，即在目标管线周围形成二次交变电磁场异常，用接收装置检测该异常，便能确定目标管线的位置，达到探测地下管线之目的。
设单根地下无限长金属管线载有谐变电流I，则其在地面某点产生的磁感应强度的水平分量BX和垂直分量BZ分别为：
式1
式2
根据接收线圈观测到的 BX 和 Bz可以确定管线的位置和深度。管线交叉或转折等存在形式都可以利用叠加原理进行计算。
3 地下管线探测的常用方法
3.1 管线探测方法
利用仪器进行管线探测的主要方法有被动源法和主动源法。
（1）、被动源法
被动源法主要利用电缆中的交变电流所产生的电磁场，用接收机直接接收该电磁场的信号特征，即能确定其所处的位置。
（2）、主动源法
主动源法是指通过施加外部场于管线上，从而使管线周围建立能够被接收机接收的信号来达到对管线定位定深的目的。它又可分为直联法、夹钳法、感应法三种。
直联法是将发射机的一端直接接在管线露头上，如：阀门，水表箱等，另一端接地。接地良好后，用接收机接收发射机的电磁信号，即能确定管线的所处位置。但直联法不能用于电力、通信管线以及易燃易爆的管线探查。
夹钳法是指利用专门的感应钳完全套在金属管线上，通过夹钳上的感应线圈将交变电磁场信号直接加在管线上，用接收机接收该电磁场信号，即能确定地下管线的所处位置。此方法主要适宜于电信电缆及电力电缆。如果探测管线露头位于水面以下，需小心使用。
感应法是当探测现场无法利用直联法和夹钳法时对金属管线隐蔽点定位定深的主要方法。在管线比较密集的情况时，此方法要求探测人员对接收信号的分析判断能力要求较高。
3.2 管线定位定深方法
管线定位通常采用Bx或△Bx极大值法，两种方法均能满足精度要求。利用△Bx极大值法定位精度较高，而利用Bx零值点定位方法的误差相对较大。
管线定深有直读法、比值法、梯度法及一些其他方法。
（1）、直读法定深
直读法是利用上下两个线圈上测得的磁场水平分量 和 ,计算出埋深h。
由式1可得出在管线正上方x=0时，BX有极大值，
式3
把上下两个线圈的磁场水平分量带入式3后相除，得出管线深度：
式4
(2)、比值法定深
比值法是利用管線所发电磁场的水平分量或其梯度在水平方向上的变化特征确定管线的埋深,利用在异常曲线上的极大值向异常两侧下降至某一比值时两侧两个相同比值点之间的平面距离与管线中心埋深之间的关系来确定深度的方法。其中80％比值法和50％比值法应用较多，只有雷迪系列管线仪器使用70％比值法。
将x=0.5h和x=h代入式1，并分别除以式3，得：
Rh/2=0.8，Rh=0.5
由以上可知，管线埋深等于Bx分量两个0.8倍极大值点间的距离，管线埋深也等于Bx分量两个半极大值点间距的一半。
(3)、梯度法定深
此种定深方法是在测寻到BX的极大值的平面位置后，在地面上观测一次Bx(0)，然后将仪器抬高△h后再一次观测Bx(△h)，由式3可得：
式5
用式5除以式3，经过换算可得管线埋深h为：
式6
上式中的△h为仪器的抽杆长度,是一个定值，由此可以方便的得出深度。日本的金属探测仪器PL-805就是此种定深方法。
(4)、其他定深方法
除了以上三种比较常用的定深方法之外，还有BZ(X)的对称极大值法、45度角倾斜法、任意比值法等，由于精度稍差或者可操作性差等原因，使用率很小。
4 地下管线探测应注意的问题
4.1 发射机发射信号频率的不同所产生的相应影响
现有管线仪发射的信号均为低频电磁波，低频电磁波的衰减系数为
式中ω、μ、σ分别为频率、磁导率、电导率。
由上式可知：当磁导率和电导率一定时，电磁波的衰减系数与发射频率的平方根成正比，即工作频率越高，衰减越快，传播距离就越近。图1是根据一开阔场地上的单一管线使用不同的发射频率所测的△BX值所绘制的异常曲线图。
由图1可见，发射机的发射频率不同，地下同一管线确定的深度相差较小，但是异常峰值有明显的不同。因此，探测工作中选择合适的工作频率将会有利于提高异常信噪比，有利于提高管线的定位、定深和管线探查的工作效率。
图1不同频率的△BX异常曲线图
4.2 并行或交叉管线对探测目标体的影响
并行或交叉管线对探测目标体的影响是管线探测中遇到最多的一种情况。由于管线探测是一种需连续追踪的探测技术，对于交叉管线而言，只要交叉角度够大，利用探测和推理相结合的方法不难探查出此类管线。下面主要讨论与目标体交叉角度小或近距离并行的旁侧管线的影响。
对近距离并行或交叉管线的探测主要方法包括直接法、夹钳法和感应法。直接法和夹钳法能够把发射机发射的大部分电磁场建立在目标管线上，能够突出目标管线的异常。直接法主要用于探测给水，当PE管材燃气管道旁存在感应金属线时，也可在金属线上利用直接法；夹钳法主要用于探测电力、电信管线；感应法是把发射机放在地表，电磁波信号可以建立任何一个管线上，近间距管线的信号强弱主要根据管线的材质来确定的，目标体的异常不一定突出，针对这种情况，我们可以根据目标管线及近间距管线的情况变换发射机的位置和发射线圈的角度，以突出目标管线，压制旁侧管线，包括水平压线、垂直压线与倾斜压线。
水平压线法是由于水平线圈在管线正上方不激发，可起到抑制干扰信号的目的，垂直压线法是在井中或者特殊条件下把发射机与干扰管线处以同一水平面时的水平压线，倾斜压线法是在目标管线上方，倾斜线圈以便达到突出目标管线，抑制其他管线信号。三种压线法示意见图
图2 水平、倾斜、垂直压线法示意图
4.3 大管径管线探测
利用管线仪探查大管径金属管线时，异常信号比较宽缓，特别是当大管径管线埋设较浅时，异常信号基本无法确定。当遇到信号不明显无法确定是否存在管线时，应该多换几个工作频率重复探测，频率越高，异常信号衰减越慢，频率越低，异常信号衰减越快。有的大管径管线的接口为非金属接口或者管线的材质为非金属时，地质雷达是一种比较有效果的方法，但是当其他管线距离很近时，地质雷达不能有效横向分辨。
5 地下管线探测实例
图3是某路口为满足排管施工而进行地下管线探测的主要管线成果图。图中红色的为电力管线，其代号为”L”；蓝色的为给水管线，其代号为”J”；绿色的为电信管线，其代号为”D”。公路中间的给水管径为1200mm。
图3 某路口地下管线探测图
在探测过程中管线点D7、D8、D15、D19、D21、D24、D25分别利用感应法和夹钳法两种方式定位定深，两种方法的深度对比如下表：
经施工开挖验证，D8、D19、D24管线点的深度分别是1.10m、1.14m、0.70m，感应法的深度误差分别为-5cm、+9cm、-5cm，夹钳法的深度误差分别为-1cm、-2cm、0cm。由以上数据可见，两种方法的深度误差都滿足规范要求，但夹钳法较感应法定深精确。
大管径给水管线点J1、J2、J3是通过多次变换发射频率进行对比来定位定深；由于小管径给水管线距离电信管线只有0.3米，管线点J4、J5是通过倾斜压线方法定位定深。经过施工过程中的开挖验证，D8管线点的平面偏差和深度偏差分别为1cm、3cm，J2管线点的平面偏差和深度偏差分别为2cm、5cm， J5管线点的平面偏差和深度偏差分别为3cm、4cm，均满足规范要求。
6 结束语
通过以上对地下管线探测技术方法的叙述分析，可得出以下几点认识：
1）管线探测时优先选择夹钳法或直联法，其定位定深比感应法精确，且在管线密集时能更好的分辨目标管线；
2） 在管线密集且无法使用夹钳法和直联法时，利用压线法也能达到很好的效果；
3）根据工区的地球物理环境特征，通过对比试验选择合适的工作频率，以达到最佳探测效果。
由于管线探测的精确性跟个人的技术、经验等方面有很大的关系，为了保证管线探测的精确性和地下管线的安全运行，建议在探测时或施工前到相关管线权属单位进行调取资料以达到最终施工安全的目的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地下管线探测；隐蔽点；
1 前言
地下管线是城市的重要基础设施，是城市正常运转的生命线。伴随着城市的不断扩大和日益繁荣，各种施工逐渐增多，如道路改扩建、市内桥梁和高架快速路桩基施工等,这些施工都可能对施工区域内管线造成影响甚至破坏，因此地下管线探测是相关施工前的必要步骤。
地下管线探测分为明显点调查和隐蔽点探测。明显点是肉眼可见的，如检查井、消防栓、接线箱等，这类管线点在现场直接调查量测并进行相关记录；隐蔽点是指需采用管线仪器探测来定位和定深的不可见的管线点，如埋设在地下的管线起始点、终止点、变径点、分支点等，这些隐蔽点的定位定深是管线探测中的关键。
2 地下管线探测原理
地下管线探测是一门比较复杂的专业技术，不同材质、埋深和地质条件的地下管线应采取不同的探测方法。现今用于管线探测的管线仪主要是利用电磁感应原理。
电磁感应法是通过对目标管线施加一定频率和适当强度的交变电磁场，该目标管线与大地之间便有相应的交变电流通过，该交变电流在其周围空间产生相同频率的交变电磁场，即在目标管线周围形成二次交变电磁场异常，用接收装置检测该异常，便能确定目标管线的位置，达到探测地下管线之目的。
设单根地下无限长金属管线载有谐变电流I，则其在地面某点产生的磁感应强度的水平分量BX和垂直分量BZ分别为：
式1
式2
根据接收线圈观测到的 BX 和 Bz可以确定管线的位置和深度。管线交叉或转折等存在形式都可以利用叠加原理进行计算。
3 地下管线探测的常用方法
3.1 管线探测方法
利用仪器进行管线探测的主要方法有被动源法和主动源法。
（1）、被动源法
被动源法主要利用电缆中的交变电流所产生的电磁场，用接收机直接接收该电磁场的信号特征，即能确定其所处的位置。
（2）、主动源法
主动源法是指通过施加外部场于管线上，从而使管线周围建立能够被接收机接收的信号来达到对管线定位定深的目的。它又可分为直联法、夹钳法、感应法三种。
直联法是将发射机的一端直接接在管线露头上，如：阀门，水表箱等，另一端接地。接地良好后，用接收机接收发射机的电磁信号，即能确定管线的所处位置。但直联法不能用于电力、通信管线以及易燃易爆的管线探查。
夹钳法是指利用专门的感应钳完全套在金属管线上，通过夹钳上的感应线圈将交变电磁场信号直接加在管线上，用接收机接收该电磁场信号，即能确定地下管线的所处位置。此方法主要适宜于电信电缆及电力电缆。如果探测管线露头位于水面以下，需小心使用。
感应法是当探测现场无法利用直联法和夹钳法时对金属管线隐蔽点定位定深的主要方法。在管线比较密集的情况时，此方法要求探测人员对接收信号的分析判断能力要求较高。
3.2 管线定位定深方法
管线定位通常采用Bx或△Bx极大值法，两种方法均能满足精度要求。利用△Bx极大值法定位精度较高，而利用Bx零值点定位方法的误差相对较大。
管线定深有直读法、比值法、梯度法及一些其他方法。
（1）、直读法定深
直读法是利用上下两个线圈上测得的磁场水平分量 和 ,计算出埋深h。
由式1可得出在管线正上方x=0时，BX有极大值，
式3
把上下两个线圈的磁场水平分量带入式3后相除，得出管线深度：
式4
(2)、比值法定深
比值法是利用管線所发电磁场的水平分量或其梯度在水平方向上的变化特征确定管线的埋深,利用在异常曲线上的极大值向异常两侧下降至某一比值时两侧两个相同比值点之间的平面距离与管线中心埋深之间的关系来确定深度的方法。其中80％比值法和50％比值法应用较多，只有雷迪系列管线仪器使用70％比值法。
将x=0.5h和x=h代入式1，并分别除以式3，得：
Rh/2=0.8，Rh=0.5
由以上可知，管线埋深等于Bx分量两个0.8倍极大值点间的距离，管线埋深也等于Bx分量两个半极大值点间距的一半。
(3)、梯度法定深
此种定深方法是在测寻到BX的极大值的平面位置后，在地面上观测一次Bx(0)，然后将仪器抬高△h后再一次观测Bx(△h)，由式3可得：
式5
用式5除以式3，经过换算可得管线埋深h为：
式6
上式中的△h为仪器的抽杆长度,是一个定值，由此可以方便的得出深度。日本的金属探测仪器PL-805就是此种定深方法。
(4)、其他定深方法
除了以上三种比较常用的定深方法之外，还有BZ(X)的对称极大值法、45度角倾斜法、任意比值法等，由于精度稍差或者可操作性差等原因，使用率很小。
4 地下管线探测应注意的问题
4.1 发射机发射信号频率的不同所产生的相应影响
现有管线仪发射的信号均为低频电磁波，低频电磁波的衰减系数为
式中ω、μ、σ分别为频率、磁导率、电导率。
由上式可知：当磁导率和电导率一定时，电磁波的衰减系数与发射频率的平方根成正比，即工作频率越高，衰减越快，传播距离就越近。图1是根据一开阔场地上的单一管线使用不同的发射频率所测的△BX值所绘制的异常曲线图。
由图1可见，发射机的发射频率不同，地下同一管线确定的深度相差较小，但是异常峰值有明显的不同。因此，探测工作中选择合适的工作频率将会有利于提高异常信噪比，有利于提高管线的定位、定深和管线探查的工作效率。
图1不同频率的△BX异常曲线图
4.2 并行或交叉管线对探测目标体的影响
并行或交叉管线对探测目标体的影响是管线探测中遇到最多的一种情况。由于管线探测是一种需连续追踪的探测技术，对于交叉管线而言，只要交叉角度够大，利用探测和推理相结合的方法不难探查出此类管线。下面主要讨论与目标体交叉角度小或近距离并行的旁侧管线的影响。
对近距离并行或交叉管线的探测主要方法包括直接法、夹钳法和感应法。直接法和夹钳法能够把发射机发射的大部分电磁场建立在目标管线上，能够突出目标管线的异常。直接法主要用于探测给水，当PE管材燃气管道旁存在感应金属线时，也可在金属线上利用直接法；夹钳法主要用于探测电力、电信管线；感应法是把发射机放在地表，电磁波信号可以建立任何一个管线上，近间距管线的信号强弱主要根据管线的材质来确定的，目标体的异常不一定突出，针对这种情况，我们可以根据目标管线及近间距管线的情况变换发射机的位置和发射线圈的角度，以突出目标管线，压制旁侧管线，包括水平压线、垂直压线与倾斜压线。
水平压线法是由于水平线圈在管线正上方不激发，可起到抑制干扰信号的目的，垂直压线法是在井中或者特殊条件下把发射机与干扰管线处以同一水平面时的水平压线，倾斜压线法是在目标管线上方，倾斜线圈以便达到突出目标管线，抑制其他管线信号。三种压线法示意见图
图2 水平、倾斜、垂直压线法示意图
4.3 大管径管线探测
利用管线仪探查大管径金属管线时，异常信号比较宽缓，特别是当大管径管线埋设较浅时，异常信号基本无法确定。当遇到信号不明显无法确定是否存在管线时，应该多换几个工作频率重复探测，频率越高，异常信号衰减越慢，频率越低，异常信号衰减越快。有的大管径管线的接口为非金属接口或者管线的材质为非金属时，地质雷达是一种比较有效果的方法，但是当其他管线距离很近时，地质雷达不能有效横向分辨。
5 地下管线探测实例
图3是某路口为满足排管施工而进行地下管线探测的主要管线成果图。图中红色的为电力管线，其代号为”L”；蓝色的为给水管线，其代号为”J”；绿色的为电信管线，其代号为”D”。公路中间的给水管径为1200mm。
图3 某路口地下管线探测图
在探测过程中管线点D7、D8、D15、D19、D21、D24、D25分别利用感应法和夹钳法两种方式定位定深，两种方法的深度对比如下表：
经施工开挖验证，D8、D19、D24管线点的深度分别是1.10m、1.14m、0.70m，感应法的深度误差分别为-5cm、+9cm、-5cm，夹钳法的深度误差分别为-1cm、-2cm、0cm。由以上数据可见，两种方法的深度误差都滿足规范要求，但夹钳法较感应法定深精确。
大管径给水管线点J1、J2、J3是通过多次变换发射频率进行对比来定位定深；由于小管径给水管线距离电信管线只有0.3米，管线点J4、J5是通过倾斜压线方法定位定深。经过施工过程中的开挖验证，D8管线点的平面偏差和深度偏差分别为1cm、3cm，J2管线点的平面偏差和深度偏差分别为2cm、5cm， J5管线点的平面偏差和深度偏差分别为3cm、4cm，均满足规范要求。
6 结束语
通过以上对地下管线探测技术方法的叙述分析，可得出以下几点认识：
1）管线探测时优先选择夹钳法或直联法，其定位定深比感应法精确，且在管线密集时能更好的分辨目标管线；
2） 在管线密集且无法使用夹钳法和直联法时，利用压线法也能达到很好的效果；
3）根据工区的地球物理环境特征，通过对比试验选择合适的工作频率，以达到最佳探测效果。
由于管线探测的精确性跟个人的技术、经验等方面有很大的关系，为了保证管线探测的精确性和地下管线的安全运行，建议在探测时或施工前到相关管线权属单位进行调取资料以达到最终施工安全的目的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。