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[摘要]地下管线是城市建设的重要基础设施。大埋深地下管线的探测精度一直是管线探测领域的疑难点。本文结合实际工作案例着重对直流电探测技术在深埋地下管线定位技术的理论、方法、硬件平台、实际探测效果进行了阐述和分析。
[关键词]直流电充电探测技术 深埋地下管线精确探测
[中图分类号] TM131.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-5-132-2
1前言
虽然近年来，我国大部分城市都进行了管线普查，但是常规普查作业只能解决浅表层埋深的地下管线探测问题，对大埋深地下管线探测束手无策，尤其是有城市轨道交通建设任务的城市。因此对深埋地下管线进行精确定位研究，显得至关重要、迫在眉睫。
深埋地下管线精确探测技术，属于国内测绘科学领域和管线探测领域的热点与难题。深埋地下管线是指埋深超越4米，以直埋、非开挖等技术方式铺设的管线。目前深埋地下管线精确定位研究，是管线探测领域的难点和重点。常规管线探测仪器对该类管线探测困难，探测结果难以满足工程施工对管线空间信息数据的需要。
我院长期以来一直承担着市区轨道交通建设所涉及的地下管线探测任务。通过长期的工作实践逐步摸索出多种探测深埋地下管线的技术及方法。本文结合实际工程案例将着重对直流电充电探测技术对深埋地下管线定位技术进行了探讨与阐述。
2直流电充电探测技术
2.1技术思路
电磁感应法作为最常用的地下管线探测方法，主要通过地下管线与周围介质的导电性和导磁性差异，根据电磁感应原理分析电磁场空间分布规律从而实现对地下金属管线定位的目的。对地面发射装置供以某一频率的交流电电流，称一次电流，从而在地下产生交变磁场，称一次磁场。地下管线在交变磁场的电磁感应作用下产生的电流，称二次电流。地面接收装置测定二次电流所产生的交变磁场，来解算地下管线的空间位置。亦可把供电电极两端一级接到金属管线和另一极在远端接地，探测基本原理与电磁感应法一致。
假设地下无限长导体对应地面投影产生的磁场强度分量为HX、垂直分量为HZ。则有：
Hx =■ ×■ （1）
HZ= ■ ×■ （2）
式（1）、（2）中：I为导体中的电流强度，单位为A，X管线中心与地面观测点的水平距离，h为管线的埋深，单位均为m ，HX、HZ的单位为A/m。在地下管线埋深分别为1m、2m、3m、5m的情况，假定供电电流I为2πA，HX、│HZ│的剖面理论曲线分别为图1、图2所示。
从图1可以看出：在供电电流一定的情况下，随着埋深增加，Hx的最大值急剧下降。当地下管线埋深大于3m时，HX曲线趋于平缓，无法找到最大值点。
从图2可以看出：在供电电流一定的情况下，当地下管线埋深小于3m时，│HZ│曲线以较大的斜率过原点，管线的两侧上方│HZ│有极大值。当地下管线埋深大于3m时，曲线以平缓的斜率过原点，无法辨认│HZ│极大值。
一般情况下，常规金属管线探测仪无法探测长距离、深埋（埋深>4 m）的管线。通过使用较大发射功率的仪器，采取远端直连接地，增加功率和电流和施加低频信号探测等措施可以增加一般管线探测仪的极限深度，为精确探测提供可供参考的数据。
2.2硬件平台
拟选用探测设备：PCM+管道电流测绘系统。
设备构成：便携式发射机、手提式接收机、电池盒、A字架、电源连接线、信号输出线，如图3所示。
PCM+发射机通过信号输出线与管道相连接后，会给金属管道馈送一种固定频率的直流信号电流，管体充电后，会在管线周围产生稳定的电磁场；将这个磁场分解为一个水平方向的磁场分量和一个垂直方向的磁场分量。通过矢量分解可知，目标管线的正上方时水平分量为最大，垂直分量为最小，而且它们的大小都与管线的位置和埋深成一定的正比例关系。
PCM+接收机与普通管线探测仪接收机类似，都是采用双天线设计，利用接收机里的水平天线和垂直天线分别测量其水平分量和垂直分量的大小，便可实现对地下管线的定位和定深。
再利用接收机这种电磁场进行追踪探测，就可以得到目标管线的平面位置及埋深信息。
2.3技术效果
通过直流电充电法，有效增加了发射机发射功率，提高了馈送电流值，使得有效探测电流增大100倍以上，增大了有效探测长度，提高了有效探测埋深。
采用直流电充电技术，探测埋深4米以内金属管线探测平面精度可达到0.1h（h为管道中心埋深），埋深精度可达到0.15h（h为管道中心埋深）；探测埋深4-10米以内金属管线，探测平面精度达到0.1h（h为管道中心埋深）。
2.4应用实例
西气东输高压天然气管线探测工程（无锡段）
天然气在陆地采用钢制输气管线进行运输。但由于管线施工单位在建设过程中，未能及时对新建高压天然气运输管线进行跟踪竣工测量，所以管线空间位置信息缺失，给后续施工及管线安全运行埋下了重大隐患。但由于高压天然气管线穿越河流、沼泽、道路、农田、密林、山川等地段，管线分布复杂，埋深大，常规管线探测仪器难以准确探测其空间位置。
3结束语
通过我们长期实践，这种方法已经越来越多的在深埋地下管线探测工程中得到运用，事实证明这种方法理论完善、技术合理，可以有效解决深埋管线探测难题。
通过对深埋管线的精确探测，可及时消除管线运行安全隐患，提高了管道周边工程施工决策管理的科学性、严谨性，为工程施工决策管理工作提供了有效的支撑。
Abstract： the underground pipeline is the important infrastructure of the city. Deep underground pipelines precise detection has been the important and difficult in the field of pipeline detection. In this paper， combining with the actual engineering case of dc charging detection technology and inertial navigation these deep underground pipeline location technology theory， method， hardware platform， the actual effect of detection are expounded and analyzed.
Key words： dc charging detection technology， deep underground pipeline detection precision
[关键词]直流电充电探测技术 深埋地下管线精确探测
[中图分类号] TM131.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-5-132-2
1前言
虽然近年来，我国大部分城市都进行了管线普查，但是常规普查作业只能解决浅表层埋深的地下管线探测问题，对大埋深地下管线探测束手无策，尤其是有城市轨道交通建设任务的城市。因此对深埋地下管线进行精确定位研究，显得至关重要、迫在眉睫。
深埋地下管线精确探测技术，属于国内测绘科学领域和管线探测领域的热点与难题。深埋地下管线是指埋深超越4米，以直埋、非开挖等技术方式铺设的管线。目前深埋地下管线精确定位研究，是管线探测领域的难点和重点。常规管线探测仪器对该类管线探测困难，探测结果难以满足工程施工对管线空间信息数据的需要。
我院长期以来一直承担着市区轨道交通建设所涉及的地下管线探测任务。通过长期的工作实践逐步摸索出多种探测深埋地下管线的技术及方法。本文结合实际工程案例将着重对直流电充电探测技术对深埋地下管线定位技术进行了探讨与阐述。
2直流电充电探测技术
2.1技术思路
电磁感应法作为最常用的地下管线探测方法，主要通过地下管线与周围介质的导电性和导磁性差异，根据电磁感应原理分析电磁场空间分布规律从而实现对地下金属管线定位的目的。对地面发射装置供以某一频率的交流电电流，称一次电流，从而在地下产生交变磁场，称一次磁场。地下管线在交变磁场的电磁感应作用下产生的电流，称二次电流。地面接收装置测定二次电流所产生的交变磁场，来解算地下管线的空间位置。亦可把供电电极两端一级接到金属管线和另一极在远端接地，探测基本原理与电磁感应法一致。
假设地下无限长导体对应地面投影产生的磁场强度分量为HX、垂直分量为HZ。则有：
Hx =■ ×■ （1）
HZ= ■ ×■ （2）
式（1）、（2）中：I为导体中的电流强度，单位为A，X管线中心与地面观测点的水平距离，h为管线的埋深，单位均为m ，HX、HZ的单位为A/m。在地下管线埋深分别为1m、2m、3m、5m的情况，假定供电电流I为2πA，HX、│HZ│的剖面理论曲线分别为图1、图2所示。
从图1可以看出：在供电电流一定的情况下，随着埋深增加，Hx的最大值急剧下降。当地下管线埋深大于3m时，HX曲线趋于平缓，无法找到最大值点。
从图2可以看出：在供电电流一定的情况下，当地下管线埋深小于3m时，│HZ│曲线以较大的斜率过原点，管线的两侧上方│HZ│有极大值。当地下管线埋深大于3m时，曲线以平缓的斜率过原点，无法辨认│HZ│极大值。
一般情况下，常规金属管线探测仪无法探测长距离、深埋（埋深>4 m）的管线。通过使用较大发射功率的仪器，采取远端直连接地，增加功率和电流和施加低频信号探测等措施可以增加一般管线探测仪的极限深度，为精确探测提供可供参考的数据。
2.2硬件平台
拟选用探测设备：PCM+管道电流测绘系统。
设备构成：便携式发射机、手提式接收机、电池盒、A字架、电源连接线、信号输出线，如图3所示。
PCM+发射机通过信号输出线与管道相连接后，会给金属管道馈送一种固定频率的直流信号电流，管体充电后，会在管线周围产生稳定的电磁场；将这个磁场分解为一个水平方向的磁场分量和一个垂直方向的磁场分量。通过矢量分解可知，目标管线的正上方时水平分量为最大，垂直分量为最小，而且它们的大小都与管线的位置和埋深成一定的正比例关系。
PCM+接收机与普通管线探测仪接收机类似，都是采用双天线设计，利用接收机里的水平天线和垂直天线分别测量其水平分量和垂直分量的大小，便可实现对地下管线的定位和定深。
再利用接收机这种电磁场进行追踪探测，就可以得到目标管线的平面位置及埋深信息。
2.3技术效果
通过直流电充电法，有效增加了发射机发射功率，提高了馈送电流值，使得有效探测电流增大100倍以上，增大了有效探测长度，提高了有效探测埋深。
采用直流电充电技术，探测埋深4米以内金属管线探测平面精度可达到0.1h（h为管道中心埋深），埋深精度可达到0.15h（h为管道中心埋深）；探测埋深4-10米以内金属管线，探测平面精度达到0.1h（h为管道中心埋深）。
2.4应用实例
西气东输高压天然气管线探测工程（无锡段）
天然气在陆地采用钢制输气管线进行运输。但由于管线施工单位在建设过程中，未能及时对新建高压天然气运输管线进行跟踪竣工测量，所以管线空间位置信息缺失，给后续施工及管线安全运行埋下了重大隐患。但由于高压天然气管线穿越河流、沼泽、道路、农田、密林、山川等地段，管线分布复杂，埋深大，常规管线探测仪器难以准确探测其空间位置。
3结束语
通过我们长期实践，这种方法已经越来越多的在深埋地下管线探测工程中得到运用，事实证明这种方法理论完善、技术合理，可以有效解决深埋管线探测难题。
通过对深埋管线的精确探测，可及时消除管线运行安全隐患，提高了管道周边工程施工决策管理的科学性、严谨性，为工程施工决策管理工作提供了有效的支撑。
Abstract： the underground pipeline is the important infrastructure of the city. Deep underground pipelines precise detection has been the important and difficult in the field of pipeline detection. In this paper， combining with the actual engineering case of dc charging detection technology and inertial navigation these deep underground pipeline location technology theory， method， hardware platform， the actual effect of detection are expounded and analyzed.
Key words： dc charging detection technology， deep underground pipeline detection precision