汤慧强
摘 要：地下管线空间属性的收集和建立已成为制约城市地下空间开发利用的重要因素，本文以电磁感应法在地下管线探测中的应用为研究对象，探讨了电磁感应法的原理及探测方法，进而分析了平面位置和埋深的确定方法，在此基础上，论文结合湖南某市典型应用案例，探讨了采用直接法、夹钳法和感应法进行管线探测的结果，结果表明，采用 70%法、50%法结合直读法进行定深，探测效果良好。经第三方监理开挖验证，成果符合规范要求，质量优。论文提出的相关方法和思路，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：电磁感应法 地下管线 位置 埋深
中图分类号：TM15 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（a）-0053-02
随着城市建设的深入发展对地下空间开发利用的需求不断增长。地下设施的数量、体量不断上升，尤其是“十二五”以来中心地区发展城市交通设施、城市防灾设施、城市绿地、架空线入地等项目在全国大中型城市全面铺开，地下空间建设令人瞩目。与此同时，在中心城区已经形成与地面空间紧密相连，以交通基础设施建设为主线的地下空间开发利用基本格局。大量信息、电力、燃气、排水等市政公用管线或进行地下铺设，或改迁入地，地下管网种类越来越多、管网铺设越来越复杂，人们在享受地下管网带来的舒适便捷的同时，也不断地碰到因管线资料不准确而造成的建设事故、维修改造困难等问题。
因此，地下管线空间属性的收集和建立便成为制约城市地下空间开发利用的重要因素，利用现有的物探手段在不破坏现状环境的前提下，确定管线及其附属设施的空间形态、位置已成为现今物探行业的热点课题。
1 电磁感应法原理及方法
1.1 探测原理
电磁感应法在地下管线探测中的应用原理，主要是利用地下管线与周围介质导电性及导磁性的差异，通过观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下管线的目的。
即，已知地下管线一般敷设在地表以下、15m以内的浅表土层中，且由于表土层一般无磁性，其电阻率在几欧姆米至几十个欧姆米。同时，金属或电力管线具有中等以上强度的磁性，其电阻率一般为m，具有较好的导电性和导磁性。由此可见，地下管线与其周围介质存在着明显的电性、磁性差异。因此，根据电磁感应原理，理论上能够探明地下金属管线的分布状况。
1.2 探测方法
根据探测原理，电磁感应法可分为被动源法和主动源法两种，其中主动源法是常规探测中的主要方法。
（1）被动源法。
被动源法主要是利用天然电磁场的变化来确定目标体的位置和深度。该方法具有一定的局限性，要求天然电磁场存在较大的差异性，主要应用于浅部电力等管线的探测，在深部电力或金属管线探测中应用极少。
（2）主动源法。
主动源法，顾名思义就是通过一些必要的手段对目标管线及周边环境施加一定频率和适当强度的交变电磁场，该电磁场称之为“一次场”。根据电磁感应定律，由于“一次场”磁通量的大小、方向不断变化，使目标管线及其周边环境均产生感应电流，其电流大小与磁通量的变化率成正比，频率与“一次场”相同，且以电磁原点向四周发散传播。该交变感应电流在传导过程中，会产生相同频率的交变电磁场，即形成所谓二次交变电磁场。
由于目标管线的磁通量远大于周边环境，所以交变电流能够传播得更远、能量更强。同理，与周边环境相比，管线所感应产生的二次场传播得更远、强度也更强。理论上，探测点与电磁原点距离大到一定程度后，该差异就应该能够被检测到，且场强差异会随着距离的增加先增大后减小、直至二次场衰减消失。
若应用相应的接收装置观测该特定频率的二次场，便能通过磁测差异来最终确定目标管线的空间形态，达到探测地下管线之目的。根据探测方式的不同，主动源法包括直接法、夹钳法、感应法，详见如下。
①直接法。
主要利用地下管线出露点，如阀门、检修井、各种表具箱等，使目标管线能够直接感应特定频率的交变电磁场。该方法的特点是管线的感应电磁场强度增大了，差异也被放大了；其缺点是只能探测有出露点的管线，探测目标较小。
②夹钳法。
主要利用特制的夹钳，将目标管线模拟成发射机延展的一部分，令交变电磁场直接施加到管线上。其特点是二次场的差异理论上最大化了；其缺点是要求管线的尺寸较小（便于夹钳夹套），且存在环绕空间。具体方法为，通过夹钳直接将发射机延长线夹套在目标管线上，而后观测该二次场信号并分析其特征，即能确定地下管线的空间形态。该方法常用于探测小口径管径的管线，例如电力、电信等。
③感应法。
感应法应名可知，其是主动源法理论应用，其方法是在目标管线上方（或附近）放置有交变电流通过的发射线圈，产生一次场、并感应生成二次场；而后观测该二次场信号并分析其特征，从而达到寻找地下管线的目的。该方法特点是理论上可探测所有种类的地下管线，对管线的铺设方式、现状要求较低，常用于盲探管线、确定管线走向等。其缺点是对环境场要求较高，复杂管线探测的精度需要多种方法检测。
2 位置及埋深的确定
电磁感应法即为通过发射机在目标管线上施加1个交变电流信号，该电流信号在沿管线传输过程中，会在管线周围产生1个交变的磁场，其大小为I=K×I/k，方向为等势圆周上的切线方向。
若將该磁场分解为1个水平方向的磁场分量和1个垂直方向的磁场分量，通过矢量分解可知，在目标管线的正上方时水平分量为最大，垂直分量为最小，且该量的大小皆与管线的位置和深度呈一定的比例关系。因此，通过测量水平分量和垂直分量的大小，就能准确地对地下管线进行定位和测深。
2.1 平面位置的确定
（1）极大值法：极大值法是用垂直线圈测量电磁场的水平分量，由于地下管线形成的二次场水平分量在其正上方最大，所以在管线的正上方地面投影位置上出现极大值。
（2）极小值法：极小值法是用仪器水平线圈测量电磁场的垂直分量，由于地下管线形成二次场垂直分量在其正上方等于零，所在地下管线正上方地面投影位置出现极小值。
在野外实地定深时，上述两方法应结合使用，即先用极大值法找到管线的大致位置（极大值法异常易被发现），再用极小值法校准定位。
2.2 埋深的确定
地下管线主要采用直读法和特征点法来确定其埋深，其中直读法探测要求环境场比较单一，不然根据场的复杂程度定深会存在一定误差。精确定深中常根据现场情况多种方法综合运用，例如直读法结合45°法、70%法结合 50%法等。
（1）直读法：原理是利用上下两个线圈测量目标电磁场的梯度，由于电磁场的梯度仅与目标体埋深有关，即可换算出管线埋深。
（2）特征点法：具体可分为70%法、50%法及45°法，其中70%以其通用性被廣泛应用。
（3）70%法：先用垂直线圈极大值法定位，然后仍保持接收机的垂直状态，沿管线两侧法线方向移动，寻找两侧幅值为定位点最大幅值的70%的两点，该两点之间的距离等于地下管线的中心埋深。
（4）50%法：同70%相同，先用垂直线圈极大值法定位，然后仍保持接收机的垂直状态，沿管线两侧法线方向移动，寻找两侧幅值为定位点最大幅值的50%的两点，该两点之间的距离等于地下管线中心埋深的2倍。
（5）45°法：先用极小值法（即波谷法）精确地标出管线的位置，把接收器的底端放在地面上，使得接收器倾斜至 45°角，然后仍保持接收机的倾斜状态、沿管线法线方向移动，当Hx指示为零时，接收器底部所指地面位置与管线距离，便是管线的埋深。
3 典型案例
为适应城市的发展及建设信息化、数字化城市的需要，经湖南某市政府批准，该市决定对主城区内的城市道路地下管线进行全面探测，同时进行管线信息管理系统建设和动态更新管理系统建设。探测面积约570km2，探测完成各类管线长度约23000km。
本次探测主要采用直接法、夹钳法和感应法进行管线探测，常规采用极大值结合极小值法进行定位，采用70%法、50%法结合直读法进行定深，探测效果良好。经第三方监理开挖验证，成果符合规范要求，质量优。部分典型图件详见图1。
4 结语
电磁感应法是常规管线探测中主要应用的方法，但其也具有一定的局限性，如对环境场要求较高，不能一劳永逸地解决所有地下管线探测中遇到的问题；对于新材料非金属管线、例如PH、PVC 等还无法做到定位定深，往往需要其他辅助手段，例如铺设辅助测线、单向供电等来进行探测；对于深度大于8m（环境场较差时，深度大于5m）的深大管线，理论上还存在技术缺陷，定深定位存在一定的难度，误差也比较大；对于多条并行、交错的复杂管线，其往往要靠不断变换探测方式来减少多解性，提供探测精度。相信在未来，随着国家“十三五”计划对城市管网普查的要求，地下管网探测将迎来更大的发展，从理论基础、数理模型，到探测方法、仪器研发等都会有长足的进步。
参考文献
[1]韩沙沙，王照天，郭凯.地下管线探测方法综述[J].测绘通报，2016（S1）：32-34.
[2]班福忱，吴丹.物探技术在地下管线探测中的应用及探测质量保障[J].建筑与预算，2016（10）：44-47.
