电子探测技术在隐蔽工程管线定位中的应用

电子探测技术在隐蔽工程管线定位中的应用电子探测技术在隐蔽工程管线定位中的应用 浙江广信智能建筑研究院 叶建云 杨军喜 摘摘 要要 对于隐蔽工程的管线位置定位问题进行分析 提出在隐蔽工程过程中应该 采取的措施 对于确实不能避免的管线难定位问题 分析可采用的电子探测技术 并且 对目前采用的电子探测方法进行技术分析和比较 对于城市地下管线探测技术亦进行了 深入分析 对电子探测技术的发展方向提出一些建议 关键词关键词 电子探测 隐蔽工程 金属管线 非金属管线 城市地下管线 正正 文文 前言前言 在工程施工时 隐蔽工程是第一步 所谓隐蔽工程就是 指地基 电气管线 供水 供热管线等需要覆盖 掩盖的工程 工程在隐蔽后 如果发生质量问题 还得重新覆盖 和掩盖 会造成返工等非常大的损失 为了避免资源的浪费和不必要的损失 在隐蔽工 程隐蔽以前 应当认真检查 如果已经进行隐蔽工程的 事后要求对已隐蔽的工程进行 检查 一般是按照要求进行剥露 并在检查后重新隐蔽或者修复后隐蔽 隐蔽工程存在的问题隐蔽工程存在的问题 实际上 由于隐蔽工程存在问题或由于隐蔽工程标识不清等原因带来的问题还是非 常多且严重的 这主要有以下几种 意外触电 由于隐蔽工程标识不清导致触电事故的很多 这在有关新闻中时常有报 道 2004 年 09 月 21 日 海峡都市报 报道 一个江西籍钻孔工人在福州祥坂路西滨 1 好美家小区一居室内钻空调洞时 钻破墙内电线触电死亡 2006 年 05 月 15 日 新民 2 晚报 报道 在上海一位江西籍民工由于赤脚作业 钻孔时钻破墙内电线触电身亡 2006 年 07 月 20 日 湖北日报 报道 关山新竹路关山新村一名男子在户内窗户上方 3 钉钉子时 触电身亡 短路 断路 在二次装修中 切断或造成线路断路和短路也非常多 如墙壁线路被 电锤打断 在地板安装中 气钉枪打穿了 PVC 线管或护套线等 在室外大型管路中 被损坏的也很多 这在有关新闻报道中也有 2007 年 10 月 13 日 合肥晚报 报道 1 中国联通公司位于濉溪路桥头的光缆被路桥公司在施工时不慎给挖断 2007 年 10 月 2 18 日 南宁晚报 报道 位于大岭路的一处 1 万伏的线路被施工人员不慎挖断 2007 年 11 月 08 日 新京报 报道 朝阳区双井桥东北角一处市政工地路面施工时 3 挖掘机将一根信号电缆挖断 2008 年 03 月 24 日 北京晨报 报道 北京牡丹园西 4 里小区内 工人在维修污水管线时将电缆挖断 维护困难 对于建设单位来说 实施工程建设相对容易 但是对于大多数工程的维 护管理来说 许多公司就深感头疼 特别对隐蔽工程中的管路维护尤甚 找不到故障点 线路 或者接头不明 甚至要开挖时也不知应该挖什么位置 这些隐蔽工程 尤其是管线部分 造成诸多问题其根本原因有如下几种 标识不清 在施工图设计时许多管路走向是明确的 但是在施工时很多施工单位没 有按图纸管路精确测量后敷设 只是大致按图纸位置施工 一般差 30 50 是非常多 但是这点差异在最后的竣工资料里也是不能体现的 更何况施工中有些位置为了避让钢 筋 梁柱 孔洞等做的适当调整 对于完全靠竣工资料的售后维护来说 不明确的管路 走向就显得非常困难了 而对于墙面内电气立管来说 在图纸中甚至都不做标识 施工不规范 有些施工随意性较大 或者人为改变管路走向 而有些地埋管路也没 有按规定埋深 往往在道路或园区机械开挖 机挖深度内 时被挖断 二次装修 事实上在二次装修时许多业主并不掌握原始图纸资料 特别是住宅小区 开发商一般都没有提供详细的竣工资料给业主 这对业主装修来说是盲目的 往往只 有全部重新敷设 要解决隐蔽工程定位难的问题 目前来说有两种途径 一是按图精准施工 施工后 按实标识并做好竣工资料 另外一种就是采用电子探测技术 电子金属探测器电子金属探测器 电子金属探测技术主要应用于探测隐蔽 地下管线 其原理是利用因管线存在能引 起物理异常的方法 通过测量各种物理场分布的特征来确定地下管线的存在和位置 利 用电子金属探测器 对埋设于隐蔽工程 地下的管线进行搜索 追踪 定位和定深 将 隐蔽管线中心位置投影至地面 并设置管线点标志 以便于测量其平面位置和高程 电 子探测技术方法主要有 电磁法 电磁波法 或地质雷达法 磁法及磁梯度法 地震 波法 直流电法 红外辐射法等 目前在隐蔽工程管线探测中应用最广泛的是电磁法及 电磁波法 电子金属探测器的物理机制 金属可以感应空间杂波并产生电场 只要把它放大就有可以产生电信号 1 或利用发射设备发出某一频率的电磁波 由于被探测金属有自感 会使这一频率 2 发生偏移 当它再被接收设备接收到有偏差的电磁波时 就会产生差频 金属会反射电磁波 不同的金属反射率不同 3 利用高输入阻抗的感测电路 如场效应管等可接收金属引起的电磁波变化 4 利用有关转换技术将接收到的电磁波或频谱变化转化为音频信号或其他可以模拟 5 的电信号就可以进行分析从而判断金属的位置 电子金属探测器的电路原理 普通的探测器其实比较简单 就是一个电感三点式振荡器 探测线圈就是振荡电感 振荡频率设置在音频范围内 探测到金属时电感线圈变化就会使震荡频率产生变化 根 据变音就可以判断该处是否有金属存在 这种探测器的一般电路 如图所示 其核心元件是一块 CMOS 六反相器数字集成电路 A IC 1 IC 6 在这个 电路里 反相器 IC 1 和 IC 2 都作为放大器来使用 金属探测器的探头是一只高 Q 值的电感器 L 它与反相器 IC 1 及电容器 C1 C3 构 成了一个电容三点式振荡器 调节电位器 RP 可使电路处在刚刚起振的状态下 平时 微弱的振荡信号通过由反相器 IC 2 和电阻器 R1 组成的放大电路进行放大 再由二极管 VD1 进行整流 使反相器 IC 3 的输入端始终处于低电平 经过反相器 IC 3 IC 4 整形 输出低电平 VD2 正偏导通 由反相器 IC 5 和 IC 6 R3 R4 C6 等构成的音频振荡器 不工作 电磁音响器 BL 无声 作为探头的电感 L 在没有接近金属物体时 电路正常起振 振荡信号控制音频振荡 器停止工作 扬声器不发声 当金属物体接近电感器 L 电感线圈的轴向方向 L 的 Q 值就会下降 振荡电路停振 于是反相器 IC 2 无振荡信号输出 没有信号去抑制音频 振荡器 反相器 IC 4 输出高电平 VD2 反偏截止 由反相器 IC 5 和 IC 6 等构成的音频 振荡器工作 反相器 IC 6 的输出端产生一系列正脉冲信号 经 R5 限流 VT 功率放大后 驱动 BL 发出响声 这个方案早期用于探测金属外壳的地雷 但是不太适用于墙壁内部 电线的检测 带发射源的探测器 这类探测器由一台发射机和一台接收机组成 有两种工作方式 一种是接触传导法 一种是无接触感应法 传导法只有当被探测金属管线有外露部位时才能采用 而无接触 感应法无此要求 相对而言 感应法较灵活 且应用范围较广 但是 感应法存在着的 缺陷就是水平分辨能力较低 容易把水平相距较近的两根或两根以上的多管线误判为单 根管线 两根管线的水平距离必须是其埋深的 1 1 2 倍以上才能区分 目前有发射源探测技术应用中最广泛的是电磁法及电磁波法 电磁探测法 是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物理基础 采用的是电磁感应原理和电磁场空间与时间分布规律 发射机在发射线圈中供谐变电流 在地下建立谐变磁场 隐蔽管线在谐变磁场的激励下形成二次电流 通过接收机的接收 线圈测定二次电流所产生的谐变磁场 来推求隐蔽管线的存在和具体位置 应用电磁法 探测隐蔽管线的工作方式有 工频法 甚低频法 电偶极感应法 示综电磁法和夹钳法 电磁波 地质雷达 探测法 地质雷达也称探地雷达 是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种探仪器 可 以探测地下的金属和非金属管线 常用于探测电磁法类管线探测仪难以奏效的 口径较 大 管道壁有钢筋网的非金属管线 目前采用的地质雷达大多使用脉冲调幅电磁波 发 射和接收装置采用半波偶极天线 其工作原理为 高频电磁波以宽频带脉冲形式 通过 发射天线被定向送入地下 经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面 由接 收天线接收 电磁波在介质中传播时 其路径 电磁场强度与波形将随所通过介质的电 磁特性和几何形态而变化 对接收信号进行分析处理 就可判断地下的结构或埋藏物等 为提高穿透能力 一般采用频率较低的雷达波 其频率最低的为 50 100MHz 电 磁波的频率越高 其穿透能力越弱 但分辨率越高 接触传导法探测器 发射器 音频振荡器 用变压器升压后两端各接一个小电容 作为输出端点 一端 设法接到被测线路的暴露点 另外一端 根据实用经验 可以空闲或者接到连接大地的 金属物体 如璧钉 自来水管等 接收器 高倍音频放大器 输入端绕制一个磁路开放 的和上述音频谐振的捡拾线圈 输出用耳机或者喇叭监听 使用时 手持接收器在墙壁 附近移动 靠近线路时 会听到较强的音频信号 接触传导法探测的基本原理 由振荡器产生一个音频信号电流 流经被测金属管线 通过大地构成回路 此电流在被测系统周围产生磁场 磁力线透过大地传到地面 在地 面上用一探测线圈拾取磁场信号 经接收器选频放大以后用耳机监听 因此检验这一磁 场的变化就可以判断地下金属管线的位置 同样用这个原理可以在电缆铅皮外检验内部 芯线的障碍部位 接触传导法方案较多用于电缆断线探测 电子探测器的技术发展电子探测器的技术发展 电子探测器经过多年的发展 主要朝向以下几个方面 双频法 双频金属探测器利用低频电磁感应原理 采用接收平衡式探头 根据电磁场理论 发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频 反相 等幅 的感应电动势 两者相消即形成接收平衡 在交变磁场中的金属由于涡流效应或磁效应 将产生一个附加磁场 破坏一次场的磁力线分布 金属目标所产生的二次场会使发射线 圈中电流的大小和相位发生变化 也就是发射线圈的等效阻抗发生变化 由于两个接收 线圈差动连接形成平衡 故忽略二次场对接收线圈等效阻抗的影响 可用发射线圈等效 阻抗的变化来反映被测金属的涡流效应和磁效应 峰位移动法 使用探测仪按照常规的探测方法 搜索出地下管线的初步位置时 放下发射机并保 持天线平面与地面垂直 再用接收机仔细找出信号最强的位置 一般可以认为此处的正 下方有一根金属管线 但是如果地下是两根水平距离较近的金属管线 用常规方法只能 找出一个峰位而出现误判 为了判明地下是否是多管 可将发射机移到峰位处 用接收 机在另一位置重新定出一个峰位 然后 将发射机天线平面顺时针转到一个角度 用接 收机找出峰位 如果峰位向左移动了 可以初步判定地下为多管 为了进一步证实判断 可将发射机天线平面从竖直方向逆时针转动一个角度 再次用接收机找出峰位 若峰位 与第一次确定的峰位相比 发生了右移 可肯定地下是多管 如果三次探测到的峰位没 有出现任何移动 则地下必为单管 对于非金属管线的探测 也有了一些好的改进 信标法 日本富士 PL 960 在金属管道探测的基础上 增加一个 信标 信标可以做为一个小发射机来使用 探测时利用玻璃钢穿孔器和连接绳把信标置入管道内部 利用接收机在路面上接收信标 发射的磁场信号 从而对管道定位和定深 使用这种方法信标法探测的前题是只能应用 于开放式的管道 即 非压力管道 带有观测井或是维修井等设施 声波法 日本富士 NPL 100 这类非金属管线探测仪的适用范围 内部流体为液态 带压力的非金属管道 采用 的是声波原理 利用声音在管道及其内部液体的传播特性来探测管道的位置 其基本原 理是 利用振荡器给管道加一个特定频率的声音信号 利用拾音器在远端路面采集由管 道传过来的声波 从而达到对管道的定位 这类非金属管线仪只能对管道进行平面定位 不能测定埋深 由于声波的衰减特性 仪器比较适用于小口径管道的探测上 大口径声 波的衰减太快 对于埋设太深的管道探测难度较大 使用场所必须有管道设施的暴露点 以便安装振动器 探地雷达法探测 瑞典玛拉 X3M 探测非金属管线的理论依据 当发射天线向地下发射高频脉冲电磁波时 遇到不同 介电特性的介质就会有部分电磁波能量被返回 接收天线接收到反射回波并记录反射时 间 利用被探测物质的介电性 导磁性 根据接收波的动力学和运动学特征 从而推断 被测目标内部介质的结构和分布特征 当发射和接收天线沿地表移动时就能得到地下不 同介质的剖面图像 富士富士 PL 960 的实际应用的实际应用 笔者曾参与某煤气管道探测部门电子探测仪器的选购和应用 经过多方面的比较和 考察 最终采用了日本富士 地探 株式会社 FUJI TECOM INC PL 960 该探测仪 处于五万左右价格 具有相当高的性价比 PL 960 集三种主动频率探测及自然波法探测技术于一体 从而使仪器的性能及探测 精度有大幅度提高 无论管道的口径大小 距离长短 还是错综复杂的混合管网 均有 准确的探测能力 工作效率可明显提高 笔者在某市闹市口地下管道探测时 为查找当时已经敷设的老旧自来水管道 电力 污水管道等走向 采用了直接法探测 发射机红线搭接在铸铁水管上 黑线接地 选用 334kHz 的频率非常轻松找到管路走向 对于离地下商城界线附近则采用同时发射 27kHz 和 83kHz 两种频率的方法都方便地探测到地下多种管道重叠进户的位置 这款探测仪 论其优点 其实在许多广告上已有介绍 其中有几点笔者使用后觉得 比较实在 接收机和探测天线采用一体化结构设计 重量仅为 2 公斤 长时间操作不会感到 1 疲劳 集主动频率和自然波法探测技术于一体 可进行各种错综复杂地下管线的探测任 2 务 使用操作简单 易学 对于有一定经验的人员 很快就能熟悉仪器的使用和操作 3 据其富士地探公司介绍其公司将推出另外一款 PL 1000 这款探测仪具有连续测深 峰值保持和管道电阻值测试三大功能 这在如下图的探测实例中应该可以较好的避免局 部管道突变 这种突变包括有时管道敷设深度不一 如果未探明在机械开挖时是非常危 险的 一个不小心将造成较大破坏 而对于峰值保持功能据说可使操作者快速准确的定位地下管线的水平位置 尤其对 于探测环境嘈杂的地段和使用仪器经历较短的操作人员来说尤为重要 而管道电阻值测试不仅可以准确