华东冶金地质勘查局测绘总队 合肥 230088
摘要：本文依据一些探测实例或试验，结合上海工程地质条件，探讨了电磁感应法、地质雷达、高密度电法、高精度磁法、井中磁梯度等物探方法在上海地区的深大管线探测中的适用性，总结了各种方法的适用条件及优缺点，并给出了不同情况下优先选择的管线物探方法。
关键词：深大管线 地质雷达 高密度电法 磁梯度
Application of electrical and magnetic method in the detection of deep underground pipelines in Shanghai
GUO Jianzhong
Shanghai Geological & Mineral Engineering Investigation Co., Ltd, Shanghai, 230088, China
Abstract：In the paper, based on some examples or test, combined with the engineering geological condition of Shanghai, the applicability of geophysical methods such as electromagnetic method, ground penetrating radar, multi-electrode resistivity survey, high precision magnetic measurement, borehole magnetic gradient in the exploration of deep underground pipelines in Shanghai are discussed. Applicable conditions and the advantages and disadvantages of each method are summarized. Geophysical methods of deep pipelines in different situations are given priority selection.
Keywords：deep underground pipelines，ground penetrating radar(GPR)， multi-electrode resistivity survey，borehole magnetic gradient
0 引言
自1864上海埋设第一根地下煤气管道后，各种管线相继向地下发展。新中国成立前，上海城市地下管线总长3126公里。新中国成立后，特别是1978年改革开放以来，上海城市建设飞速发展，地下管线铺设越来越多，目前上海地下管线总长已达3万多公里。由于地理因素和历史等原因，形成了上海城市地下管线“老”而“密”的状况。进入21世纪后，随着非开挖工艺敷设地下管线技术的发展，地下管线的埋深从最初的1～2m进入10～20m甚至更深的范围，从而又形成了“乱”的特点。而上海又是注重地下空间开发的城市，地铁、隧道、地道等工程建设量相当大，造成了地下管线与城市建设之间的矛盾十分突出，使得事故频繁，损失严重，停电、停水、停气、通讯中断等事故经常发生，使城市人民生活、市政建设、施工和安全受到严重影响。因此，准确探测定位地下管线是缓解或解决这种矛盾的方法之一，其中研究适合上海地区的深大管线物探探测技术则是关键。
国内对深大管线物探探测技术的研究是进入21世纪之后才开始的。研究表明可用于深大管线探测的物探技术主要有：地面高精度磁法[1,2]、井中磁梯度[3,4]、电磁感应法[2,5-6]、地质雷达[2,7]、高密度电法[2]等。这些方法各有各的特点，也各有各的适用性。本文依据上海工程地质条件，结合一些探测实例或实验来探讨这些方法在上海地区的适用性。通过实例或实验分析，结合场地因素明确在不同情况下优先选择的物探方法。
上海地表下20m范围内工程地质状况表明：这段范围内，土体呈弱磁性、含水量较高，纵波波速较低。这就说明土体与金属管线、混凝土管线、塑材管线在导电性、导磁性、介电常数等物理参量上存在明显差异，这就形成了电法和磁法探测的地球物理前提。
2 物探探测方法
2.1 电磁感应法
电磁感应法是目前地下管线探测最常规的物探技术手段，也是最有效、最灵活、最经济的物探手段[8]。电磁感应法是将金属管线等效成无限长直导线，该导线上所载电流产生的磁场为[9]
(2-1)
电磁感应法一般是采用管线仪在地面探测，因此我们对磁场水平分量进行分析：当测点位于管线正上方时（x=0），磁场强度与管线埋深成反比，即是管线越深磁场强度越弱；测点位于其他位置时，也是存在管线越深磁场强度越弱的变化。这说明越是深埋的管线，电磁感应法探测越是不利。大多数学者认为管线仪探测深度不超过3m，但也有部分采用管线仪探测出埋深大于3m的管线的成功案例[6]，我们通过下面的探测试验说明探测成功的可行性。
试验被测信息管线位于哥白尼路与蔡伦路路口。试验时，通过示踪金属导线穿越管道，采用充电法、单端连接、水平双线圈进行探测，仪器采用RD8000型管线仪。实测结果及剖面正演结果见图1。
从试验结果可以看出：本次试验管线在探测段的埋深为4.60～4.70m，深度大于3m；该管线因无其他并行管线干扰，曲线表现为典型的单峰异常，各剖面按测试深度计算正演曲线与实测曲线吻合。这说明电磁感应法在加强管线电磁信号、被测管线无其它管线干扰的情况下，可以探测出深埋管线。
2.2地质雷达
地质雷达是应用脉冲电磁波来探测分布在地下介质中的目标物。当发射天线向地下发射高频宽带短脉冲电磁波时，遇到具有不同介电特性的介质就会有部分电磁波能量被返回，接收天线接收反射回波。电磁波在介质中传播时，其传播路径上的波形将随所通过的介质的介电特性及几何形态而变化，根据接收到波的旅行时间、幅度、频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标的深度、形状等。电磁波的旅行时间为：
(2-4)
式中，t电磁波的旅行时间（ns），v为电磁波在介质中的传播速度（m/ns），x天线的收发距（m），z为目标体的埋深（m）。
(a)
(b)
(c)
(d)
（a）、（b）分别为测线1实测和正演结果，（c）、（d）分别为测线2实测和正演结果
图1 哥白尼路探测结果
Fig.1 the detection results of Copernicus Road
图2探测排水管线的地质雷达剖面
Fig.2 GPR profile of drainage pipeline
由于水的介电常数比其它常规物质（如混凝土）要大很多倍，因此地质雷达的探测效果受地下介质含水量的影响较大，含水量小的介质上探测效果明显，含水量大的介质则可能无法探测出目标体。采用地质雷达探测深埋管线的成功案例也有不少，但不一定适合上海地区。我们通过下列试验加以说明。
本次试验探测的目标体为2500mm×2500mm的排水管线，管顶埋深约2.5m。本次试验所用仪器为意大利IDS公司K2-Fastwave，天线为80MHz，测线长度采用仪器自带测量轮计数。试验结果见图2。
试验探测过程中，目标管线大约位于测线的7～12m间。从图2中的7～12m间我们无法清楚判断出该管线。这不是孤立的无法探测成果的案例，还有其他学者在上海做过不少试验同样无法完成探测目的[10]。
2.3高密度电法
高密度电法全称为高密度电阻率法，其勘探基本原理与普通电阻率法相同，均是以岩石、土与目标体的电阻率之间存在差异为基础，通过人工在地下建立稳定电流场，在地表观测电位差和供电电流，计算出视电阻率，以此达到研究地下电流传导规律的一种电法勘探方法。高密度电法是一种阵列勘探方法[11,12]，野外测量将全部电极（几十根至上百根）置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪可将数据快速自动采集，将测量数据处理后可得到关于地电断面分布图。随着智能化程度提高，现场工作效率大大提高，信息丰富，勘探能力显著提高。
高密度电法对探测大口径雨水管线、污水管线、共同沟的效果十分明显[10,13-16]。图3为采用高密度电法在上海市宝山区月浦镇探测排污管线的结果。此排污管线外径约4m，管顶埋深约2.5m。现场为布满油菜花的农田，高密度电法布设58个电极，电极距为0.5m，采用温纳装置。从图3中可以看出，在测线距离17m附近存在明显的高阻，此位置即为排污管线所在位置。
2.4磁法
地球本身是一个大磁场。随地区的不同，磁场强度、磁倾角、磁偏角亦不同，但对于局部小范围的磁场，我们可以视地磁场是均匀分布的，因此，在无铁磁性物质的土层中，将地磁场视作背景场。因为含磁性地下隐蔽物受地磁场的磁化作用，在其周围产生新的磁场，使得它相对于其他物质而言所表现出的磁性要强得多，类似磁性物的存在破坏了原有的地磁场，这种磁场相对于天然磁场分布而言，称之为磁异常。由于探测范围内磁场的分布特征由该区内的物体分布情况及空间位置来决定，通过用专门的仪器来测量、记录测区磁场分布，根据所测得的磁场分布特征就可以推断出地下各种磁性物体的形状、位置和产状。由于地下隐蔽物中的金属管线、水泥管道的磁性与周围介质存在磁性差异，因此，可以采用高精度磁法测量进行地下管道的探测。
图3高密度电法探测剖面
Fig.3 profile of multi-electrode resistivity survey
与电磁感应法探测相似，磁法是把地下金属管线看作无限长水平圆柱体，这样可将其当作二度体处理。其磁场强度只与圆柱体横切面的方位有关，与圆柱体长度方向无关，表达式如下：
磁法探测深大管线分两种方式：地面磁测和井中磁梯度。地面磁测是测磁总场，分析磁场异常；井中磁梯度是测垂直分量的梯度值。
图4是采用MP4质子磁力仪探测深埋通信光缆的结果曲线。该探测项目是为上海某跨海大桥服务，位置位于海边的防汛大堤上，周边地表无磁性建筑物、车辆等干扰，探测点距为2m。图4显示在测线90m左右有明显的磁异常反映，据此异常推断的管线位置与管线单位原先标志位置相差很远，同时推断的管线位置切入已设计的桥墩群桩中。为此，特地在推断管线线路上选定堤内围堰处设计桥墩位置进行了验证，确定管线设计桥墩位置的埋深为2.8m左右，同时验证了推断管线位置的准确性。
图4实测磁场强度曲线
Fig.4 the measured curve of magnetic field intensity
井中磁梯度探测时将磁梯度仪的探头放入钻好的孔内，从孔底（孔顶）开始以一定的间隔依次往上（往下）测量各点的磁场梯度，然后根据磁梯度变化确定地下磁性体的位置。某项目为探测深埋的煤气管线，采用井中磁梯度探测，探测设计在道路两侧靠近管线位置各钻出5个探测孔，其中孔K1～K5的探测结果见图5。由图5(b)可以看出，孔K3、K4在埋深为15.6m的深度上存在明显的磁梯度突变正异常，孔K2、K5在埋深为15.6m的深度上存在微弱的磁梯度突变正异常，孔K1则没有异常，因而判断被测管线的平面位置在K3和K4之间。从图5(a)也可以看出异常区域在孔位方向的2～4m范围（每孔之间的距离约为1.3m），由于孔位不是对称分布在管线两侧，因此根据K3、K4孔异常值的大小可将管线位置定在3m左右。根据以上磁梯度异常值分析，判断管线深度为15.6m，位置在K3、K4之间，距K3孔0.4m。
3上海地区的适用性分析
3.1电法的适用性
可用于深大管线探测的电法包括电磁感应法、地质雷达、高密度电法，它们的地球物理前提是管线与土层之间的导电性与导磁性差异。电磁感应法中，感应电流的大小取决于介质的电阻率；高密度电法测量的就是视电阻率；地质雷达探测中，相关的物理量则是介电常数和磁导率。因此，电法探测地下管线的关键物理量为电阻率、介电常数、磁导率。
粘土的电阻率约在1～10 
，塑料材质及混凝土材质的管线的电阻率则要比粘土的大很多倍。从前文中工程地质状况可知，深埋管线的常规地层范围皆是粘土，且含水量较高，则电阻率较低。因此从这一点上讲，电磁感应法、高密度电法很适合上海地区的深大管线探测。土壤的相对介电常数为2～32，混凝土的相对介电常数一般在10以内，金属的相对介电常数都是好几十，纯水的相对介电常数最大，达到80。从前文中工程地质状况可知，上海地下的粘土含水量较高，使得湿性粘土的相对介电常数增加，这样则不利于电磁波的传播（造成电磁波传播速度变小）。因此从这一点上讲，地质雷达并不是很适合深大管线的探测。
电磁感应法、地质雷达对作业场地范围要求不高，探测过程方便快捷。高密度电法的探测深度与所布设的电极数及电极距有关，因此要求有足够的场地来布设电极。电极是要插入土壤中，因此，高密度电法野外作业场地的地坪为非硬化地坪。从这一点上讲，高密度电法在市区很多地方是不适用的。当然，也有科研人员采用软电极来解决这一问题[22]。
电磁感应法、地质雷达均受到地表金属物质的干扰，同时容易受到浅埋的金属管线、电力、信息等管线干扰。而高密度电法则主要受地下的工业散电干扰。相对而言高密度电法的抗干扰性要比其它两种方法强，电磁感应法最不抗干扰。
（a）磁梯度等值线图
（b）磁梯度剖面图
图5磁梯度实测结果
Fig.5 the measured results of gradient magnetic
电磁感应法可探测的深度小于10m，地质雷达最大探测深度也不超过30m，高密度电法的可探测深度则可超过百米。地质雷达和高密度电法探测的目标管线越深，则需要目标管线的管径（管线束）越大。电磁感应法测得的是目标管线中心埋深。地质雷达给出的一般是目标管线管顶埋深，在理想状态下可得到管底反射，从而估算管线的大小。高密度电法的成果剖面虽然能直观反映目标管线的形状，但最好是给出目标管线中心埋深，这是因为高阻体（低阻体）对供电电流存在排斥（吸引）作用，使得反演结果的低阻目标体的大小要小，而高阻目标体的大小要大，从而不能定量确定目标管线。
电磁感应法可用于金属管线、电力管线、通讯类管线的探测，地质雷达和高密度电法则适合各种金属与非金属管线的探测，管线的尺寸越大，探测效果越好。
3.2磁法的适用性
可用于深大金属管线探测的磁法包括地面高精度磁测和井中磁梯度等方法，它们均是利用目标管线与周边土层的磁场差异，区别在于所利用的是总磁场差异还是垂直分量的梯度差异。粘土的弱磁性与金属管线的强磁性之间存在相当明显的差异，这说明地面磁法和井中磁梯度都是很适合深大金属管线的探测。
地面磁测是在地面探测，既方便，又快捷，且经济。而井中磁梯度则需要在土层中钻孔，钻孔数量一般为4～5个，每个钻孔都要下套管保护，以防止塌孔。从这点看，井中磁梯度不如地面磁测方便、快捷、经济。然而，上海这座城市的地表充实着大量的钢筋混凝土建筑、车辆、交通防护设施等磁性体，严重影响地面磁测的结果。井中磁梯度则由于深入土层较深，地表磁性体的干扰对埋深较小的目标管线影响较大，对探测深埋目标管线影响较小。地面磁测可以根据磁异常确定管线的平面位置和埋深，但是误差较大。井中磁梯度则可根据每孔磁梯度异常大小及孔位关系精确确定目标管线的位置和深度，误差较小。目标管线埋设越深，地面磁测获得的管线磁异常就越小，而井中磁梯度则不受此影响，可以探测出任意深度的目标管线。
地面磁法可适用于各类能产生磁异常的管线，如金属管线。井中磁梯度则适用于有一定刚度的磁性管线，如金属管线、钢筋混凝土管线。
4结论
根据实例及工程地质条件，我们认为电磁感应法、高密度电法、地面磁测、井中磁梯度等方法基本可以解决上海地区深大管线的探测问题。但还有部分问题未能解决，如小直径非金属材质深埋的燃气、给水管线就不能很好解决。虽然上海非开挖施工的非金属材质燃气管线都附带有一根金属丝，但是金属丝所能产生的电磁感应强度有限，信号微弱，稍有浅部管线干扰就无法探测出来。
通过实例及总结分析，我们认为在上海地区进行深大管线探测时，应综合考虑目标管线的材质及尺寸、探测场地的电磁干扰与障碍物分布以及物探方法的探测进度等方面情况，按照如下原则进行物探方法的选择：
（1）在上海地区进行深大管线探测时，不推荐采用地质雷达方法进行探测，特别是采用收发一体天线的地质雷达。
（2）对于深埋金属管线及钢筋混凝土管线，我们优先考虑选用井中磁梯度进行探测。如若在近距离地表存在出露点，可以考虑电磁感应法的夹钳、接地等方式进行探测；若地表无磁性体干扰，且浅埋部分无磁性管线，也可选用地面磁法进行探测；直径较大时也可考虑采用高密度电法、地震映像、瑞雷波勘探等方法。
（3）对于深埋的非金属管线，优先选择高密度电法进行探测。
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论文作者:郭建中
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/16
标签：管线论文; 梯度论文; 高密度论文; 电磁感应论文; 地下论文; 物探论文; 地质论文; 《基层建设》2018年第17期论文;