城区地下管线探测技术研究与应用

陈相帅

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053)

城市地下管线探测是城市规划、建设和管理的一项重要基础工作，建立科学、准确、完整的地下管线信息管理系统，对城市的建设和发展是非常必要的。城市地下管线是维持城市正常运转的大动脉，城市地下管线普查是城市规划、建设和管理的一项重要基础性工作。某市城市建设日新月异，地下管线愈趋复杂，迫切需要建立统一的地下管线信息管理系统和准确的地下管线档案资料[1-4]。为满足某市城市规划、建设与基础管理工作需要，提高城市基础设施的规划、建设和管理水平，市政府决定组织开展地下管线探测工作，并建立统一的地下管线信息管理系统，全面实现某市地下管线的信息化管理。本文研究了城区地下管线探测技术，并在某市进行应用研究，研究取得了良好的成果。

依据已有资料分析和现场踏勘，管线大多数分布在道路两侧。主要管线有给水、排水、燃气、电力、通信和热力等管线，埋深为0.3～5.0 m，除排水外，大部分管线埋设在人行道上。各专业地下管线埋设年代跨度较长，部分废弃的地下管线仍占据着地下空间位置。①给水管线:主输配水管线多为大口径，材质分别为铸铁管、PE管、PVC管和混凝土管4种，在主要道路上呈单条或多条并行状布设，小管径分支输水管线材质绝大部分为PE管，部分为PVC管。②排水管线:排水(雨、污水、雨污合流)管线多为混凝土管、PVC管，管径大多数在300～ 2 000 mm，其余为排水方沟或排水组合管道，埋深在1.0～4.0 m。市政主干道上的燃气管线，通过已有资料得知，主干道路埋设较有规律，但实地明显点较少。且全市只有约5 km的金属材质管线，其余全为PE材质，给探测工作带来很大困难。③电力管线:材质为铜缆，埋设方式以管埋、沟埋为主。④通信管线:材质为铜缆、光纤，主要分布在人行道或慢车道上，多以管块或套管方式埋设，多家权属管线并行埋设相互穿插较为多见，不利于仪器探测信号分辨。热力管线和工业管道:主要分布在人行道和绿化带上，材质多为钢，供热管道采用供水管道与回水管道并排双向敷设，探测信号反映相互干扰较大。

2.1 工作流程

地下管线探测工作流程[5-9]如图1所示。

图1 地下管线探测工作流程Fig.1 Underground pipeline detection workflow

2.2 资料收集与利用

(1)控制资料。①内蒙古自治区GPS连续运行参考站系统(GNSS)。内蒙古自治区GNSS连续运行参考站系统(NMGCORS)是内蒙古城市空间数据基础设施的重要组成部分。作为自治区系统的一部分，本系统在设计、施工中，充分考虑了扩展性，率先运用了分布式系统技术，使得本系统既可以独立运行，也能与其他城市的系统互联形成跨城市、地区的区级系统，实现有限资源的共享。它们是维持某市坐标系统的重要手段，通过坐标转换能够实时提供高精度的网络RTK本市独立坐标系和国家2000坐标系成果定位服务。②测区内高等级GPS(控制)点。本研究前期协调获取的控制点为本市2009年的部分D级GPS控制点。分布在测区内各主要道路上，随着城市建设的快速发展，很多控制点已经被破坏。

(2)管线调绘资料。目前测区内已收集管线资料数据共7大类。分别为排水、给水、燃气、热力、铁通、有线电视、中国电信等。通过管线现状与资料对比分析发现，所提供的资料部分不齐全，有些地段属于空白区；
由于城市的改、扩建程度进展快，有些资料与实地有一定的出入；
提供的历史管线图件与实际情况有较大出入，有缺线、漏线的现象。目前收集到的给水、排水、通信、热力等管线调绘资料，通过现场核实认为可作为外业探测施工参考使用。

(3)地形图资料。业主方提供的基础地形图资料主要为基本覆盖老城区部分范围的面积约30 km2、1∶1 000地形图，以DWG格式分幅存储。地形数据资料采用该市独立坐标系统，与本管线探测工程所采用的某市独立坐标系统相一致。经过实地踏勘分析认为现有的基础地形图资料没有完全覆盖本次普查区域。且经现场踏勘发现，由于本市发展快速，受道路新建、改造以及居民小区开发新建等城市基础建设的影响，造成地形地貌变化较大，现有的地形数据的实时性较差，可作为管线普查的外业工作参考底图。

2.3 探测方法试验及仪器校验

投入此次工程的管线探测仪器通过测定，确定投入的仪器性能稳定，测定结果达到《监理导则》要求，可投入本测区施工生产。对工程后续进场的探测仪器将采取先校验后使用的原则，保证每一台仪器达到精度指标要求后再使用，并做好书面校验记录。在测区内对给水、电信、电力管线进行了探测方法有效性试验。对铸铁(钢)材质的给水管的探测方法主要采取直接法和感应法(灵活运用压线法和选择激发法等探测技巧)。此次试验都在精度要求许可范围之内，场源发射频率以高频为宜(32.8、65.5 kHz)。对电信等电缆类管线主要采用夹钳法，在一般情况下几个频段均可采用，但要用2个频率进行施测，以便相互检验。中间频率(32.8 kHz)为主要使用的频率。实际工作中要根据被探测对象所处的特征条件，来选择不同的技术方法和参数，保证管线定位、定深的精度。

2.3.1 收发距试验

(1)最小收发距。不论采用何种工作频率、发射功率、接收机增益，RD4000、RD8000管线探测仪在距离发射机10 m以外基本接收不到发射机一次场信号。一次场衰减曲线如图2所示。

图2 一次场衰减曲线Fig.2 Primary field attenuation curve

(2)最佳收发距。最佳收发距将通过对不同材质和不同深度管线施加一定的信号，然后沿管线走向追踪探查，根据信号的强弱及定位准确程度来确定。由现场试验表明，RD4000、RD8000管线探测仪对铸铁材质管线探查，收发距选择在15～30 m，MPL-H10S收发距选择在7～30 m，PL960收发距选择在9～25 m均能准确探查，且信号强而稳定；
钢管及电缆类等传导性能好的管线收发距离可适当增加；
此外，对于大埋深信号弱的管线收发距离应当减小。

2.3.2 信号施加方式试验

管线探测仪采用主动源法的信号施加方式有3种，分别为直接法、感应法和夹钳法，采用何种方式应根据管线出露情况及地球物理条件合理选择。通过试验表明，无干扰的单一金属管道，采用直接连接或感应法施加信号均可取得良好探测效果，但采用直接法施加信号时，接收信号更强、更稳定。在无出露点或不能直接连接的管道，采用感应法施加信号亦能取得良好的探测效果。本测区电力、通信电缆多以管块(或套管)方式埋设，且含多根电缆，部分分支为管埋或直埋方式敷设。管块(或套管)埋设且含有多根电缆时，宜采用夹钳法施加信号探查。采用夹钳法时，应尽可能选择位于管顶中部电缆施加信号，同时还应将对探测结果与所夹电缆位置比较，进行必要的修正。对单一直埋电缆或单一套管埋设电缆，采用感应法或夹钳法施加信号均能准确测定。

2.3.3 工作频率试验

本次试验仪器类型不同，工作频率也不同，其中RD8000、RD4000仪器常用的频率有83、65(65.5)、33(32.8)和8(8.19 kHz)，其中33.4 kHz只有在直接方式时可用。从金属管道试验看，采用直接法时，选用不同的工作频率对定位定深影响不大，只是信号强度略有不同，其中，RD4000、RD8000探测仪83kHz信号最强，65、33 kHz次之，8 kHz信号最弱；
MPL-H10S探测仪80 kHz信号最强，38、9.5 kHz次之；
PL960探测仪83 kHz信号最强，27 kHz次之，334 kHz信号最弱。采用感应法时，不同频率测深有一定差异，其中选用RD4000、RD8000探测仪33 kHz以上而选用RD4000、RD8000探测仪8 kHz时仪器测深偏深。电缆类管线通常为管块埋设且含多根电缆，选用不同频率，感应耦合效果也不同，其中选用83、65 kHz时，信号强而稳定，测定深度与管线实际深度基本相符。

2.3.4 定位、定深方法

(1)定位方法。管线探测仪定位方法有极大值法和极小值法。通过试验，在无干扰单一管线条件下，采用极大值法或极小值法均能准确定位。然而，在复杂干扰路段，极小值法易受干扰信号影响，因此，在城市管线埋设复杂区域，宜使用极大值法定位。此外，管线分支、转折处易受不同走向管线信号干扰，应采用交会法定位，即在不同方向的直线段上分别测定3个点以上，然后采用交会法定出特征点的具体位置。

(2)测深方法。管线探测仪测深方法有特征点法和直读法。通过对2种测深方法的试验比较，在管线埋深较大时，特征点法测定结果与实际埋深相吻合，而直读法测定结果与实际埋深相差较大，且易受干扰影响导致数据不可靠。在管线埋深浅(埋深小于0.5 m时)且无干扰条件下，采用直读法测深可获取准确数据，且探测效率高。

2.4 管线点探查

2.4.1 明显管线点调查

对明显管线主要调查了管点特征，管线埋深、材质、管径，附属物名称，所在位置，管点范畴等信息，起止走向以及同类管线的连接关系，并记录在地下管线探查记录表中。采用检验合格工具进行量测，精确到厘米。

2.4.2 隐蔽管线点探查

(1)定位方法。探查过程中在管线点的地面投影中心设置地面标志，管线点标志一般应设置在特征点或附属物点上。

(2)定深方法。测区内的给水、热力、电力、通信等管线材质大多为金属管线，在探过程中根据不同管线种类、材质和周边环境等因素，选用探测方法如下：①金属管道管线探测。探测金属材质的给水、热力、压力污水管线时，有出露点(或者阀门井)的(除燃气外)采用直接法探测，当接收机信号弱时，加大输出功率，提高目标管线上的信号强度，确保探测数据的可靠；
平面位置用极大值法确定，定深方法以70%法为主，频率以33、65、83 kHz为主。部分点采用钎探、开挖、参考调绘竣工资料方式来确定埋深和平面位置。金属燃气管线由于其危险性一般采用感应法探测。②线缆类管线探测。对电力和通信线缆类管线探测时，采用夹钳法，平面位置用极大值法确定，定深方法以70%法为主，频率以8、33 kHz为主。③非金属管线的探测。材质为混凝土、陶瓷、HDPE排水管线；
材质为PE的中水、天然气管线。

(3)管线点记录及标注方法。①管线类别代号采用2位字母编码表示，按规定的二级代号(小类代号)表示；
测区编号按统一划分编排的测区编号表示，采用2位数字编码表示。②现场用铅笔按地下管线点探查表所列项目填写清楚，并将各种管线走向、连接关系、管线点编号等信息在PDA上明确标注，形成探查草图，经检查后交付测量作业工序使用。对于管线密集，不能标注清楚的，做放大示意图，放大图内应将管线的各种信息详细表示。③一切原始记录、记事项目要整齐、清晰、美观，不得涂改、转抄。

2.5 控制测量

图根控制点测量采用甲方提供的七参数，利用本市CORS进行RTK测定，加密图根控制点。控制点的点位根据管线走向布设，选在通视良好、便于保存且方便日后使用的地方，以钢钉打入水泥或沥青路面至平，并用红油漆作标记，且在实地明显地物上栓点，以便于寻找和使用。控制点主要沿管线分布区域布设，并考虑尽可能均匀分布，精度满足本次管线普查要求。

2.6 管线测量

利用全站仪使用极坐标法对管线点进行测量，仪器高、测杆高量至毫米，采用长边定向，短边检查，测距边不大于150 m。待测点边长不超过定向边长。管线点的高程测量和平面测量同时进行。全站仪将采集到的数据自动进行存储，然后传输给计算机转换成坐标数据。点的平面位置为测点中心位置，点的标高为地面高程。

2.7 数据处理

数据处理平台为自主开发的《地下管线数据处理系统》，对采集的数据进行数据录入、数据查错、管线成图、编辑管线图，输出甲方要求的数据格式。它结合Microsoft Acess数据库可以完成管线数据处理工作。该系统能实现在同一操作平台、同一界面下完成管线处理工作，以解决以前数据处理中存在的平台频繁切换、数据传递环节多等弊病。系统操作可实现可视化、直观化，并且提供对管线的管理功能，批量进行成果图的生成，提供与其他软件的数据转换程序，以提高绘图效率，从而简化工作流程，提高工作效率，以适应数据处理内外业一体化工作的需要。数据处理流程如图3所示。

3.1 管线探测精度检查

根据均匀分布、具有代表性和随机性的原则对管线点进行检查，包括明显管线点检查、隐蔽管线点重复探测检查、开挖检查、控制测量检查、管线点的坐标及高程检查等。

图3 数据处理流程Fig.3 Data processing flow

3.1.1 明显管线点检查

检查根据均匀分布、具有代表性和随机性的原则，对明显管线点进行检查，检查方法采用开井量测方式。对管线的埋深、管径、规格等进行测量，并对设施名称、材质、电缆孔数、流向、压力等属性进行检核。

(1)红山13测区管线三级检查共检查明显管线点467个，占总明显点数的5.24%，粗差点数4个，错误点数2个(表1)；
满足明显管线点埋深的粗差率应不大于5%、错误率应不大于2.5%、粗差率与错误率之和应不大于5%的要求。经内业计算，明显管线点埋深中误差满足《城市地下管线探测技术规程》(以下简称《规程》)规定埋深中误差≤2.5 cm的精度要求。

表1 红山13测区明显点三级检查精度Tab.1 Three-level inspection accuracy of obvious points in Hongshan 13 survey area

(2)松山24测区管线三级检查共检查明显管线点271个，占总明显点数的5.1%，粗差点数4个，错误点数5个(表2)；
满足明显管线点埋深的粗差率应不大于5%、错误率应不大于2.5%、粗差率与错误率之和应不大于5%的要求。经内业计算，各级检查明显管线点埋深中误差均满足《规程》规定埋深中误差≤2.5 cm的精度要求。

表2 松山24测区明显点三级检查精度Tab.2 Three-level inspection accuracy of obvious points in Songshan 24 survey area

(3)新城3测区管线三级检查共检查明显管线点314个，占总明显点数的5.2%，粗差点数7个，错误点数1个(表3)；
满足明显管线点埋深的粗差率应不大于5%、错误率应不大于2.5%、粗差率与错误率之和应不大于5%的要求。经内业计算，各级检查明显管线点埋深中误差均满足《规程》规定埋深中误差≤2.5 cm的精度要求。

表3 新城3测区明显点三级检查精度Tab.3 Three-level inspection accuracy for obvious points in Xincheng 3 measurement area

3.1.2 隐蔽管线点重复探测检查

项目质检组按照均匀分布、以复杂地段为重点的原则，覆盖各管类及各组的原则进行检查，检查方法采用仪器重复探测方法进行。主要检测隐蔽管线点的平面位置与埋深及有疑问的拐点、交叉点、多通点的定位，连接是否正确。

(1)红山13测区管线三级检查共检查隐蔽管线点502个，占总隐蔽点数的5.12%，粗差点数12个，错误点数6个；
满足粗差率不大于7.5%、错误率不大于5%、粗差率与错误率之和不大于7.5%的要求。隐蔽管线点平面中误差、埋深中误差均满足《规程》中误差≤0.5倍限差的精度要求。

(2)松山24片区测区管线三级检查共检查隐蔽管线点290个，占总隐蔽点数的6.0%，粗差点数6个，错误点数5个；
满足粗差率不大于7.5%、错误率不大于5%、粗差率与错误率之和不大于7.5%的要求。隐蔽管线点平面中误差、埋深中误差均满足《规程》中误差≤0.5倍限差的精度要求。

(3)新城3测区管线三级检查共检查隐蔽管线点286个，占总隐蔽点数的5.51%，粗差点数4个，错误点数3个(表4)；
满足粗差率不大于7.5%、错误率不大于5%、粗差率与错误率之和不大于7.5%的要求。隐蔽管线点平面中误差、埋深中误差均满足《规程》中误差≤0.5倍限差的精度要求。

表4 新城3测区隐蔽点三级检查精度Tab.4 Three-level inspection accuracy of hidden points in Xincheng 3 survey area

3.1.3 开挖检查

在项目质检组对明显点检查及隐蔽管线点重复探测检查结果达到《规程》规定的精度后，检查组对测区的隐蔽管线点进行了抽样开挖验证。开挖点多选在机动车道两侧的便道上或绿化地中，用经检验的钢卷尺量测开挖点的平面偏差和埋深。项目质检组对区内各作业组的隐蔽点进行开挖验证。

(1)红山13区总计113个点进行钎探开挖验证，验证量占隐蔽点总数的1.15%。检核出粗差点3个，错误点2个，超差率4.4%(表5)。检查结果满足《规程》中隐蔽管线点开挖检查超差率小于10%的要求。

表5 精度统计Tab.5 Precision statistics

(2)松山24区总计55个点进行钎探开挖验证，验证量占隐蔽点总数的1.14%。超差点3个，超差率5.5%。检查结果满足《规程》中隐蔽管线点开挖检查超差率小于10%的要求。

(3)新城33区总计58个点进行钎探开挖验证，验证量占隐蔽点总数的1.11%。检核出粗差点2个，错误点1个，超差率5.2%。检查结果满足《规程》中隐蔽管线点开挖检查超差率小于10%的要求。

3.2 管线测量精度统计

管线测量检查方法：采用2″级电子全站仪设站重复观测法检查，检查管线点各点的坐标及高程较差，项目按不低于5%的比例进行随机设站抽查。

(1)红山13区共收测管线点18 704个，抽查管线点在测区内均匀分布，随机抽查，共抽查管线点1 328个，占测区管线点总数的7.10%。并按式(1)分别计算测量点位中误差mcs和高程中误差mch。

(1)

式中，ΔSci为重复测量的点位平面位置校差；
Δhci为重复测量的点位平面位置高程校差；
nc为重复测量的点数。

红山13区管线点重复采集检查精度统计见表6。

表6 红山13区管线点重复采集检查精度统计Tab.6 Accuracy statistics of repeated collection and inspection of pipeline points in Hongshan 13 district

按照《规程》中规定允许中误差，平面为±5 cm，高程为±3 cm，其结果满足规程要求。

(2)松山24测区共收测管线点9 862个，抽查管线点在测区内均匀分布，随机抽查，共抽查管线点632个，占测区管线点总数的6.71%。松山24测区管线点重复采集检查精度统计见表7。

表7 松山24测区管线点重复采集检查精度统计Tab.7 Accuracy statistics of repeated collection inspection of pipeline points in Songshan 24 survey area

按照《规程》中规定允许中误差，平面为±5 cm，高程为±3 cm，其结果满足要求。

(3)新城33测区共收测管线点11 255个，抽查管线点在测区内均匀分布，随机抽查，共抽查管线点729个，占测区管线点总数的6.49%。新城33测区管线点重复采集检查精度统计见表8。

表8 新城33测区管线点重复采集检查精度统计Tab.8 Accuracy statistics of repeated collection inspection of pipeline points in Xincheng 33 survey area

按照《规程》中规定允许中误差，平面为±5 cm，高程为±3 cm，其结果满足要求。

在此次管线探测研究中，该项目综合运用了低频电磁管线探测技术、高频电磁波法、全站仪极坐标测量法、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、数字自动化成图等先进技术，完成了本市中心城区地下管线基础数据采集工作，充分发挥地下管线探测工程在地理信息数据和服务方面的专业作用，满足了本市的地理信息数据和服务平台的基础数据精度要求。实现了中心城区基础地理信息数据采集、地下管线和城市部件的地上地下全联动；
助力城市管理由被动管理型向主动服务型转变，由粗放定性型向集约定量型转变，由单一封闭管理向多元开放互动管理转变；
大幅提高了当地基础地理数据多层次服务能力，提升了公共服务质量和水平，取得了良好的社会效益；
满足了城市管理对象综合展示、管理、维护、处理突发事件的基本需求，并为辅助决策提供充分的数据和分析支持，在城市智慧城市建设过程中发挥重要的基础性作用。

随着城市现代化建设的进程，各类地上建筑及地下管线新建和更新频繁，地下管线的动态管理是必需的，故此建议尽快出台管线管理条例，及时对地下管线进行长期动态更新及维护管理，及时反映地下管线的客观现状，特别是要加强对非金属管线埋设的管理，在做好管线埋设竣工测量工作的同时更要做好非金属管线示踪线(或示踪器)同步埋设的监查与管理工作。在以后道路改造和建设前，都应做相应的地下管线详查或精查，旨在查明规程要求普查范围以外的管线和新增、变更管线，做到防微杜渐、减少意外安全事故的发生。

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