CN112835118A - 基于静力触探仪的地下管线探测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静力触探仪的地下管线探测装置和方法，地下管线探测装置包括静力触探仪、探头和数据采集仪，数据采集仪用于连续采集一系列地下探测数据，并对地下探测数据进行处理；结合常规探测设备在地表处探测得到的地下管线平面方位，即可获得地下管线的多维度空间分布信息。本发明可以实现对地下管线的三维立体探测，从而大幅提高管线探测的准确性，具体地，可以将多个地下探测数据和地表探测数据表示为矩阵形式，检测出地下管线分布在多维度空间分布信息中产生的各种异常场，通过异常场的信号强弱变化来确定地下管线埋深等信息，得到精确的地下管线空间位置。本发明广泛应用于地下管线探测技术领域。

Description

基于静力触探仪的地下管线探测装置和方法

技术领域

本发明涉及地下管线探测技术领域，尤其是一种基于静力触探仪的地下管线探测装置和方法。

背景技术

目前，随着城市地下空间的压缩和施工工艺的进步，非定向钻牵引管、非开挖顶管等技术被使用得越来越频繁，电力隧道、地下综合管廊等埋深也越来越大。对于这类深埋管道，准确探测其埋深一直是一个技术难题。目前，对于深埋管线的探测方法大致有以下三种大类：一、地面物探法，即在用仪器在地表进行探测的方法，包括电磁感应法、高密度电法、地震、雷达等方法；二、管中探测法，即仪器或其发射源从管道内通过而进行探测的方法，包括导向仪、陀螺仪等方法；三、孔中物探方法，即仪器的发射源、接收传感器进入已有钻孔而进行探测的方法，包括弹性波CT法、电磁波CT法、磁法测井、竖直剖面法等。

其中，地面物探方法的主要缺点在于：1、受限制的因素太多，比如需要足够的工作空间、管的埋深和管径相比不能太大等；2、从地面探测，其深度的精确度远低于平面位置的精确度，精度和分辨率低，定量解释存在困难；3、当埋深超过仪器有效探测深度时，将导致探测失效或精度难以确定；4、在浅部邻近有其它管线的情况下，受浅部管线信号的干扰，导致探测失效、失真或难以判定。

管中探测法的主要缺点在于：1、对管径要求严格，太大太小都不行，只能探测部分小管，覆盖面窄，适应性较差；2、必须是空管，管内既有物质需要排空，燃油管、燃气管等一些敏感管道实施成本非常高；有些管道则需要清淤，难度很大；3、需要提供合适的出入口供探测仪器进入，往往需要把管道切开，探测后再修复，效率低、成本高。在运营中的管道中，极少能够同时满足这几项条件。因此，该方法往往主要用于某些管线竣工阶段绘制竣工图，以及一些暂未穿线的空管等。

孔中物探方法的主要缺点在于需要事先钻孔，而由于目标管线的平面位置可能存在偏差，采用钻机钻进的方式，一旦钻到管线很容易造成破坏，对于管线存在相当大的风险。尤其对于燃油管、燃气管、高压电力管以及一些战略性物质输送管道或军用管线，合适的钻入点均位于管线保护范围之内，权属部门基本上不可能允许实施钻探；而在不能确保安全的情况下，实施单位也不敢贸然施钻。因此该方法也受到极大的限制，很难发挥理论预期的作用。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于静力触探仪的地下管线探测装置和方法。

一方面，本发明实施例包括一种地下管线探测装置，包括：

静力触探仪；所述静力触探仪包括可压入地层的触探杆；

若干个探头；所述探头安装在所述触探杆上；

数据采集仪；所述数据采集仪与所述探头连接，所述数据采集仪用于连续采集所述探头在所述触探杆压入地层的过程中探测到的一系列地下探测数据，并对所述地下探测数据进行处理；结合常规探测设备在地表处探测得到的地下管线平面方位，所述常规探测设备包括管线仪和地质雷达，即可获得地下管线的多维度空间分布信息。

进一步地，所述静力触探仪还包括主机和反力装置；所述主机用于驱动所述触探杆压入地层，所述反力装置用于将所述主机固定在地面。

进一步地，所述反力装置为地锚。

进一步地，所述静力触探仪还包括主机和载具固定装置；所述主机用于驱动所述触探杆压入地层，所述载具固定装置用于将所述主机固定在载具上。

进一步地，所述静力触探仪还包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述触探杆的末端，所述压力传感器与所述主机连接，所述主机用于采集所述压力传感器在所述触探杆压入地层的过程中探测到的锥尖阻力，当所述锥尖阻力达到预设的报警值，所述主机暂停对所述触探杆的驱动。

进一步地，所述地下管线探测装置用于执行以下步骤，对所述地下探测数据和已探知的地表探测数据进行综合处理，从而获得地下管线的多维度空间分布信息：

根据探头的贯入深度和探测信号沿贯入深度的变化，得到地下管线竖向维度信息，以及地下管线距离贯入点的距离信息；

将经过所述竖向维度表示的所述地下探测数据和地表探测已探知的水平向数据综合处理，即可作为地下管线的多维度空间分布信息。

根据所述地下探测数据所来自的探头，进一步判定地下管线的材质、尺寸、方位信息。

进一步地，所述若干个探头包括磁力探头、声波探头、弹性波振动探头和电磁波探头。

进一步地，所述地下管线探测装置用于执行以下步骤，分别对所述地下探测数据和已探知的地表探测数据进行维度表示：

根据已探知的地表探测数据对应的信号强度分布信息，参考所述地下探测数据的信号强度信息，判定地下管线水平向的水平位置和水平走向，分别作为地下管线的第一维度信息和第二维度信息；

获取所述地下探测数据的信号强度分布信息，参考已探知的地表探测数据推断的深度位置信息，判定地下管线的深度位置，作为地下管线的第三维度信息；

获取所述地下探测数据所来自的探头，其中，以是否来自所述磁力探头作为第四维度信息，以是否来自所述声波探头作为第五维度信息，以是否来自所述弹性波振动探头作为第六维度信息，以是否来自所述电磁波探头作为第七维度信息；

以所述第一维度信息、第二维度信息、第三维度信息、第四维度信息、第五维度信息、第六维度信息和第七维度信息对所述地下探测数据和所述地表探测数据进行维度表示。

另一方面，本发明实施例还包括一种地下管线探测方法，包括：

利用管线仪和雷达在地表进行探查，确认目标管线和邻近管线的平面分布情况，确定静压探测点；

根据地表探查数据初步获得的目标管线预计埋深初步确定探查深度，分析静压探测点处探查深度范围内土体的物理力学性状，判断探头达到探查深度所需要的静压力，从而选择静力触探仪和所述反力装置；

根据已知土的性状和管线材质设定报警值；

根据管线的规格、材质信息选择探头；

启动所述静力触探仪，贯入地下，判定地下管线的深度位置，结合前述地表探查信息，得到地下管线的多维度空间分布信息。

本发明的有益效果是：实施例中的地下管线探测装置，通过使用静力触探仪携带多个不同的探头竖直向贯入探测，结合地表探测数据，实现对地下管线的三维立体探测，从而大幅提高管线探测的准确性，具体地，实施例中的地下管线探测装置对地下探测数据和地表探测数据进行维度表示，也就是将地下探测数据和地表探测数据表示为七维的多维度空间分布信息，可以将多个地下探测数据和地表探测数据表示为矩阵形式，从而有利于使用计算机工具来对地下探测数据和地表探测数据进行分析，有利于高效地检测出地下管线分布在多维度空间分布信息中产生的各种异常场，通过异常场的信号强弱变化来确定地下管线埋深等信息，从而得到相对精确的地下管线空间位置。

附图说明

图1为实施例中地下管线探测装置的结构和原理示意图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，地下管线探测装置包括静力触探仪、数据采集仪以及安装在触探杆上的若干个探头。静力触探仪可以是高贯入力式的车载式静力触探仪，也可以是低贯入力式的地锚式静力触探仪。其中车载式静力触探仪包括主机和载具固定装置，主机用于驱动触探杆压入地层，载具固定装置用于将主机固定在车辆等载具上。本实施例中的静力触探仪是地锚式静力触探仪，其包括主机和地锚(或其它反力装置)，主机用于驱动触探杆压入地层，地锚(或其它反力装置)用于将主机固定在地面。

本实施例中，使用图1所示的地下管线探测装置执行的地下管线探测方法包括以下步骤：

第一步：收集探测所需的相关资料，包括：场地地质资料，确定土层的性状；目标管线的基本信息，即其延伸方向、大致位置和埋深、规格、材质、用途、埋藏年代，并了解管线埋设后场地的填挖历史等；邻近区域管线埋藏情况，分析对探测目标管线可能造成干扰的其它管线情况；

第二步：利用管线仪、雷达等常规管线探测设备在地表进行探查，初步确认目标管线和邻近管线的平面分布情况，确定相对安全、有效的静压探测点；

第三步：根据目标管线预计埋深确定探查深度，分析静压探测点处探查深度范围内土体的物理力学性状，判断探头达到探查深度所需要的静压力，从而选择适当规格的地锚型或车载型静力触探仪；

第四步：根据已知土的性状和管线材质，设定合适的锥尖阻力报警值；

第五步：根据管线的规格、材质信息选择合适的探头；

第六步：进行现场探测的相关预备工作。包括：预定探测点定位放点；清除探测点处的地表硬质物，必要的凿除硬质路面及填石等，确保触探仪可以顺利贯入；根据需要设置地锚(或其它反力装置)；将探头装入静压触探仪锥端后侧，装置构建如图1所示；

第七步：将携带探头的触探杆缓慢匀速贯入地层，实时观测探测信号及锥尖阻力信息，正式开展探测工作。遇锥尖阻力异常，即未达到探查深度而发生报警时，暂时停止贯入，分析报警的原因，确认安全则放慢速度继续贯入；若无法判断，则另外选择探测点贯入；

第八步：根据所获静压探测数据，结合收集资料和地表探测结果判定管线的空间位置和形态，给出最终探测结论。必要的，进行多点探测验证。

本实施例中，第一步、第二步中，场地地质资料、土层的性状、目标管线基本信息、目标管线及邻近管线的平面分布情况等资料构成地表探测数据，其可以存储在数据采集仪本地或者云服务器。当地表探测数据存储在云服务器，数据采集仪获取地下探测数据时通过网络访问云服务器读取地表探测数据。

本实施例中，第二步至第六步属于现场作业时的操作准备。第七步中，可以通过静力触探仪主机的电机驱动或者静力触探仪主机的手摇机的驱动，使触探杆缓慢匀速贯入地层，静力触探仪主机通过传感器实时记录触探杆贯入地层的深度。

本实施例中，触探杆上安装了磁力探头、声波探头、弹性波振动探头和电磁波探头等多个探头。每当触探杆贯入地层一定深度，这些探头分别进行探测，从而获得地下探测数据。例如，每当触探杆贯入地层前进10cm，磁力探头、声波探头、弹性波振动探头和电磁波探头各自进行探测，获得这一深度对应的一组地下探测数据，在这样的模式下，每当触探杆贯入地层前进1m，就可以获得10组地下探测数据。在这样的模式下，地表探测数据可以认为是对应深度为0的地下探测数据。

本实施例中，所使用的磁力探头分为主动探头和被动探头两种，其中主动探头为在探头上装配能产生磁场的探头，被动探头为通过接收线圈被动接收地球磁场或地下埋藏物产生的磁场异常的探头。

本实施例中，所使用的弹性波振动探头分为主动探头和被动探头两种，主动探头为在探头内置震动发生器，产生震动的波，比如声波、弹性波等，能主动发射波场的探头，被动探头为在探头内设置接收传感器，能接收地面震动和地下埋藏物产生的震动的探头。

本实施例中，所使用的电磁波探头为主动探头，在探头内装配能产生电磁波线圈的探头。

本实施例中，当使用被动探头时，还可以参照图1所示在地面上使用激发器，从而激发地下埋藏物产生磁场或者电磁波。

本实施例中，地表探测数据可以认为是对应深度为0的地下探测数据，而在触探杆贯入地层的过程中在不同深度位置上，分别通过多个探头采集该深度位置上的地下探测数据，每个地下探测数据本身可以描述为一个二维水平面上的信号强度分布等信息，因此每个地下探测数据可以通过深度位置信息、二维信号强度分布、由哪个探头采集等维度信息来进行描述。例如，一个地下探测数据可以表示为[在水平面第一方向上的信号强度(以db等单位表示)，在水平面第二方向上的信号强度(以db等单位表示)，深度位置信息(以cm等单位表示，对于地表探测数据此分量可以表示为0)，是否来自磁力探头(如果是则为1，否则为0)，是否来自声波探头(如果是则为1，否则为0)，是否来自弹性波振动探头(如果是则为1，否则为0)，是否来自电磁波探头(如果是则为1，否则为0)]等七个维度描述的多维度空间分布信息，其中在水平面第一方向上的信号强度为第一维度信息，在水平面第二方向上的信号强度为第二维度信息，深度位置信息为第三维度信息，是否来自磁力探头为第四维度信息，是否来自声波探头为第五维度信息，是否来自弹性波振动探头为第六维度信息，是否来自电磁波探头为第七维度信息。

通过对地下探测数据和地表探测数据进行维度表示，例如本实施例中将地下探测数据和地表探测数据表示为七维的多维度空间分布信息，可以将多个地下探测数据和地表探测数据表示为矩阵形式，从而有利于使用计算机工具来对地下探测数据和地表探测数据进行分析，有利于高效地检测出地下管线分布在多维度空间分布信息中产生的各种异常场，通过异常场的信号强弱变化来确定地下管线埋深等信息，从而得到相对精确的地下管线空间位置。

本实施例中，静力触探仪的触探杆的末端或者触探杆上的钻头还安装了压力传感器，压力传感器通过信号线或者无线与静力触探仪的主机连接，使得主机可以在触探杆压入地层的过程中通过压力传感器探测到触探杆受到的锥尖阻力。主机通过压力传感器实时采集锥尖阻力，并将锥尖阻力与主机中预设的报警值进行比较，当检测到锥尖阻力达到报警值，表明触探杆遇到了硬质物体或者地下管道，在由主机通过电机驱动触探杆贯入地层的情况下，主机控制电机暂停对触探杆的驱动，在由手摇机驱动触探杆贯入地层的情况下，主机通过警报灯等设备发出报警信息，提醒工作人员暂停操作手摇机，并分析报警的原因，在经过分析检查后确认安全的情况下则放慢速度继续贯入，若无法判断报警的原因，则另外选择探测点贯入，从而避免损伤地下管道，或者避免地下硬质物体损伤触探杆。

本实施例中的地下管道探测装置所需的作业空间小，环境适应性强，由于采用静力贯入，并且在探头上设置贯入阻力探测及报警装置，当探头到达管的位置或遇到其他硬质物而阻力超过设定界限值时将及时报警，暂定贯入，确保不会损坏管道，降低安全风险；本实施例中的地下管道探测装置操作方便，可人工可自动，投入成本低，作业时间短，通过结合地表探测结果达到三维立体探测的效果，可以大幅提升探测精度，准确判定管道的空间位置信息，可以探测各种深埋管线，基本不受管径、管材、用途等的限制，方法适应性强。

可以通过编写执行本实施例中的地下管线探测方法的计算机程序，将该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本实施例中的地下管线探测方法。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (9)

1.一种基于静力触探仪的地下管线探测装置，其特征在于，包括：

静力触探仪；所述静力触探仪包括可压入地层的触探杆；

若干个探头；所述探头安装在所述触探杆上；

数据采集仪；所述数据采集仪与所述探头连接，所述数据采集仪用于连续采集所述探头在所述触探杆压入地层的过程中探测到的一系列地下探测数据，并对所述地下探测数据进行处理；结合常规探测设备在地表处探测得到的地下管线平面方位，所述常规探测设备包括管线仪和地质雷达，即可获得地下管线的多维度空间分布信息。

2.根据权利要求1所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述静力触探仪还包括主机和反力装置；所述主机用于驱动所述触探杆压入地层，所述反力装置用于将所述主机固定在地面。

3.根据权利要求2所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述反力装置为地锚。

4.根据权利要求1所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述静力触探仪还包括主机和载具固定装置；所述主机用于驱动所述触探杆压入地层，所述载具固定装置用于将所述主机固定在载具上。

5.根据权利要求2-4任一项所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述静力触探仪还包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述触探杆的末端，所述压力传感器与所述主机连接，所述主机用于采集所述压力传感器在所述触探杆压入地层的过程中探测到的锥尖阻力，当所述锥尖阻力达到预设的报警值，所述主机暂停对所述触探杆的驱动。

6.根据权利要求1-4任一项所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述地下管线探测装置用于执行以下步骤，对所述地下探测数据和已探知的地表探测数据进行综合处理，从而获得地下管线的多维度空间分布信息：

根据探头的贯入深度和探测信号沿贯入深度的变化，得到地下管线竖向维度信息，以及地下管线距离贯入点的距离信息；

将经过所述竖向维度表示的所述地下探测数据和地表探测已探知的水平向数据综合处理，即可作为地下管线的多维度空间分布信息；

根据所述地下探测数据所来自的探头，进一步判定地下管线的材质、尺寸、方位信息。

7.根据权利要求6所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述若干个探头包括磁力探头、声波探头、弹性波振动探头和电磁波探头。

8.根据权利要求7所述的地下管线探测装置，其特征在于，所述地下管线探测装置用于执行以下步骤，分别对所述地下探测数据和已探知的地表探测数据进行维度表示：

根据已探知的地表探测数据对应的信号强度分布信息，参考所述地下探测数据的信号强度信息，判定地下管线水平向的水平位置和水平走向，分别作为地下管线的第一维度信息和第二维度信息；

获取所述地下探测数据的信号强度分布信息，参考已探知的地表探测数据推断的深度位置信息，判定地下管线的深度位置，作为地下管线的第三维度信息；

获取所述地下探测数据所来自的探头，其中，以是否来自所述磁力探头作为第四维度信息，以是否来自所述声波探头作为第五维度信息，以是否来自所述弹性波振动探头作为第六维度信息，以是否来自所述电磁波探头作为第七维度信息；

以所述第一维度信息、第二维度信息、第三维度信息、第四维度信息、第五维度信息、第六维度信息和第七维度信息对所述地下探测数据和所述地表探测数据进行维度表示。

9.一种地下管线探测方法，其特征在于，包括：

利用管线仪和雷达在地表进行探查，确认目标管线和邻近管线的平面分布情况，确定静压探测点；

根据地表探查数据初步获得的目标管线预计埋深初步确定探查深度，分析静压探测点处探查深度范围内土体的物理力学性状，判断探头达到探查深度所需要的静压力，从而选择权利要求2-8任一项所述的静力触探仪和所述反力装置；

根据已知土的性状和管线材质设定报警值；

根据管线的规格、材质信息选择探头；

启动所述静力触探仪，贯入地下，判定地下管线的深度位置，结合前述地表探查信息，得到地下管线的多维度空间分布信息。

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