CN211293285U - 超常大埋深地下管道探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超常大埋深地下管道探测装置，所述装置包括：信号发射机、探测棒及信号接收机；所述信号发射机向管道发射电磁信号，以在所述管道周围产生磁感应信号；所述探测棒放置入至所述管道附近的勘探孔中采集磁感应信号，并将采集到的磁感应信号通过导线传送至所述信号接收机；所述信号接收机接收所述探测棒采集到的磁感应信号，以确定所述管道的位置。本实用新型通过探测棒及信号接收机可拆卸式连接，配合信号发射机对地下管道进行探测，便于对超常大埋深地下管道进行探测，同时可以确保探测精度，便于工程实现，并具有预报待测管道水平位置及深度功能。

Description

超常大埋深地下管道探测装置

技术领域

本实用新型涉及地下管线探测技术领域，尤指一种超常大埋深地下管道探测装置。

背景技术

地下管线作为城市的重要基础设施之一，担负着供水、供气、供热、供电、排水、通讯等功能，是城市的主动脉和生命线，与人民群众的生活息息相关，科学、准确、完整的管线信息是地下管线管理、维护、安全运营的重要保障，制约着城市的发展。由于管线信息的不准确，在城市建设中破坏管线设施的事件每天都在发生，给人民群众及管线权属单位造成重大损失、甚至付出生命的代价。为此市政工程、工民建工程在方案确定之前，都要在施工区域进行管线资料的收集、确认。但当今管线敷设方式受益于非开挖技术的迅猛发展，跨越江河、铁路、公路、建构筑物等复杂地段已不存在技术困难。特别是最近几年，水平定向钻等非开挖技术在各种地下管线施工方面得到广泛应用。水平定向钻穿越的长距离(L>300米)，埋深(h>5米)的管线经常出现。而到目前为止，市场上的大部分地下管线探测仪器标称探测深度h<5米，对于h>5 米的管道探测精度则很低。磁法、地质雷达等物探方法作为管线探测仪的补充校核手段，无法定量，准确性和精度较低。陀螺仪测管线精度虽然较高，但引进顶管的探头设备探测管线时需要在管线上开天窗(停水、停气)，影响大，代价高。

综上所述，特别是大埋深地下管道，因早期建设时提供资料不准确或地面环境发生变化，需要对管道进行准确的探测定位，才能够使建设施工安全顺利的进行。所以研究开发大埋深地下管线专用探测仪器与探测方法，成果投入运行后，准确找出施工区域各种管线的位置，保证施工发生管线破坏泄漏问题，此项研究具有十分重要的意义。

常规管线仪(RD系列)得到了广泛的应用，对于导电材质的管线进行探测被实践证明是一种行之有效的手段。常规管线仪的接收机中有两个接收线圈：水平线圈和垂直线圈。但常规管线仪会受到探测深度的限制，在探测深度为5米以内的管线时，正常使用即可完成探测任务，但在超常大埋深地下管道探测时，现有常规管线仪显然不能满足工程需要。

实用新型内容

为了解决现有地下管道探测装置受探测深度限制，不能满足超常大埋深地下管道探测的问题，本实用新型实施例提供一种超常大埋深地下管道探测装置，所述装置包括：信号发射机、探测棒及信号接收机；

所述信号发射机向管道发射电磁信号，以在所述管道周围产生磁感应信号；

所述探测棒包括通过导线连接的线圈探头与连接插头，所述探测棒通过所述连接插头与所述信号接收机连接，所述线圈探头通过探入至所述管道附近的勘探孔中采集磁感应信号，并将采集到的磁感应信号发送至所述信号接收机；

所述信号接收机接收所述探测棒采集到的磁感应信号，通过程序处理以确定所述管道的位置。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述信号发射机包括信号发射机主机、通过导线使地球与待测管道连接，使地球、所述信号发射机及所述管道形成一个回路，激发电磁信号。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述信号接收机包括探头接口与显示单元，所述探棒接口与所述探测棒的连接插头连接，所述显示单元用于显示所述管道的位置信息及所述探测棒采集到的磁感应信号强度。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述探测棒与所述信号接收机通过导线连接，导线长度与所述管道敷设深度有关。

可选的，在本实用新型一实施例中，连接所述信号发射机主机与接地极之间的导线长度大于10米，或根据探测条件确定长度。

本实用新型通过探测棒及信号接收机可拆卸式连接，配合信号发射机对地下管道进行探测，便于对超常大埋深地下管道进行探测，同时可以确保探测精度，便于工程实现，并具有预报待测管道水平位置及深度功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一种超常大埋深地下管道探测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中信号发射机的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中探测棒的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中信号接收机的结构示意图；

图5A及图5B为本实用新型实施例中磁感应信号的拟合曲线图；

图6为本实用新型实施例中钻孔探测示意图；

图7为本实用新型实施例中磁感应信号的强度示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供一种超常大埋深地下管道探测装置。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一实施例，而不是全部的实例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本实用新型保护的范围。

常规管线仪的缺陷不是仪器设备本身造成的，常规管线探测技术出现之初是一种很好的探测技术，它的成功得益于社会的发展现状：经济落后使与城市息息相关的管道不是很密集，敷设深度较浅。但随着社会的高速发展，管线越来越密集，敷设深度越来越深，管线探测设备不断的紧跟技术发展的脚步，不断推出新的型号，由模拟显示(雷迪PN)到数字显示(雷迪400，俗称RD—II型),发射机的功率也越来越大 (RD8000的10W)，频率也由原来常用的8K、33K、65K向两个方向发展：高频83K、 131K、200K等甚至跟高；低频640、512等甚至更低。通俗的讲若要测得管线数据信息，不外乎从两方面着手：一是增大功率，但该办法势必造成噪声增加，影响数据的准确性；二是增大频率，但随着频率的增大，信号衰减很快，环境干扰增大；减小频率，信号随衰减很慢，但目标信号很难区分，检测精度下降，同样难以获得准确的管线数据。

目前，地质雷达、磁法、陀螺仪等物探方法作为管线探测仪的补充校核手段。

1)地质雷达探测管线的缺点

(1)地质雷达(Ground-Penetrating-Radar，简称GPR)法应用到疑难管线勘查中的前提物性条件是需要勘查目标管道与周边介质的相对介电常数εr、电磁波传播速度v存在一定差异，而且差异越大雷达信号越明显。

(2)根据以上的理论可以了解到，针对不同的勘查目标体、在不同的地质情况和不同的地球物理环境下，首先需要考虑使用不同的天线，并通过现场试验确定选择合适的天线，这样才会获得最好的勘查效果，但天线的选择很难解决。

(3)如果目标体的深度超出地质雷达系统探测深度50％，那么地质雷达方法效果不佳。

(4)目标体几何形态(尺寸与去向)必须尽可能清楚，目标体的几何形态包括长度、宽度、高度、目标体的尺寸决定地质雷达系统可能具有的分辨率，关系到天线中心频率的选用。如果目标体是非等轴状，需要搞清楚它的走向、倾向和倾角，关系到测线的布设。

上述四点基本总结了地质雷达在常规管线探测中的缺点，但这些缺点在超深管线探测(大于6米)尤为突出。

2)磁法探测的缺点

磁法主要利用金属管道中铁磁性物质与周围介质的磁性差异来探寻管道位置，缺点主要由以下几个方面：

(1)管道一般埋设在城市中，到处都是铁磁性物质，除去固定的铁磁性物质外，电力管线，随机通过的汽车甚至自行车等等，都会给探测带来严重的磁干扰。

(2)目前没有成熟的专门用于探测金属管道的磁力仪。

(3)压制磁干扰的手段缺乏。

(4)要开发专门用于磁法探测的软件，使得探测结果可视化，过程更直观，工作人员容易辩识目标管线。

上述四点基本总结了磁法在常规管线探测中的缺点，但这些缺点在超深管线探测中可以得到部分解决，随着技术的发展可以应用到超深管线探中，获得可靠的数据。

3)陀螺仪在管线探测中的缺点

陀螺仪是最近几年引进国外技术，探测管线精度虽然较高，但最大的缺点是需要在管线上开天窗(停水、停气)，把陀螺仪放置于管道内，通过人工控制，行走于管道内，根据陀螺特性获得管线的属性数据(平面位置、敷设深度)，实施条件苛刻、影响大，代价高。

目前国内外还没有专用于大埋深管线探测设备，本实用新型提供一种专用于探测大埋深地下管线位置探测的仪器设备，采用电磁方法原理，参照目前现有各种探测仪器设备基础上，综合其优点研制开发一款专用于大埋深地下管线探测的仪器与使用方法，解决埋深在0m—50m埋地管线准确探测定位问题，探测设备特点，具有操作灵活、简单，大屏幕显示探测数据结果。

如图1所述为本实用新型实施例一种超常大埋深地下管道探测装置的结构示意图，图中所示装置包括：信号发射机10、探测棒20及信号接收机30；

所述信号发射机10向管道通过闭合电路向空中及地面以下发射电磁信号，以在所述管道周围产生磁感应信号；

所述探测棒20包括通过导线21连接的线圈探头22与连接插头23，所述探测棒 20通过所述连接插头23与所述信号接收机30连接，所述线圈探头22通过探入至所述管道附近的勘探孔中采集磁感应信号，并将采集到的磁感应信号发送至所述信号接收机30；

所述信号接收机30接收所述探测棒采集到的磁感应信号，以确定所述管道的位置。

在本实施例中，信号发射机向地下管道发射电流信号，电流信号沿管道流动，由此在管道周围产生一个施加信号电流的电磁场。如图3所示，探测棒包括通过导线 21连接的线圈探头22与连接插头23，将探测棒放至地下管道附近的勘探孔中，采集管道周围的磁感应信号，并将采集到的磁感应信号通过导线发送至信号接收机。其中，探测棒的连接插头23与信号接收机活动连接。信号接收机根据采集到的磁感应信号，可以确定地下管道的位置。

其中，线圈探头放置在事先打好孔内，如果管道埋深在20米，则孔深至少在40 米或更深，线圈探头在孔内上下移动，当探棒中心与管道接近垂直时，信号强度最大。探棒宜可采用高强度材料与勘察设备结合，如静力触探仪结合，实现打孔与探测同步。

作为本实用新型的一个实施例，如图1及图2所示，所述信号发射机包括信号发射机主机(图1及图2中标识为信号发射机)、分别通过导线与所述信号发射机主机连接的接地极11及接管线极12，所述信号发射机通过所述接地极接地，所述信号发射机通过所述接管线极与所述管道的测试桩a连接。信号发射机通过测试桩a向地下管线发射电流信号。此外，连接信号发射机主机与接地极之间的导线为超长导线，以此实现与地之间形成稳定回路，提高信号强度。具体的，在待测管道合适的位置(阀门井、出露点)，把信号发射机与管道利用长导线连接在一起，使发射机与待测管道通过长导线与大地形成稳定回路，长导线理论上越长，信号越强。

作为本实用新型的一个实施例，如图1及图4所示，所述信号接收机包括探头接口31与显示单元，所述探头接口与所述连接插头连接，所述显示单元用于显示所述管道的位置信息及所述探测棒采集到的磁感应信号强度。显示单元可以显示出地下管道距离勘探孔的水平距离和地下深度，同时还可显示探测棒采集到的磁感应信号的强度。

作为本实用新型的一个实施例，所述探测棒与所述信号接收机通过导线连接，导线为双绞线，导线长度与所述管线敷设深度有关。

作为本实用新型的一个实施例，连接所述信号发射机主机与接地极之间的导线长度宜大于10米，或根据探测条件确定长度。连接信号发射机主机与接地极之间的导线为超长导线，以此实现与地之间形成稳定回路，提高信号强度。

本实用新型的探测装置为专用于探测0m—30m(或50m)埋地管线探测的专用仪器，该仪器具有探测数据可视化界面、现场屏幕显示探测信号和埋深与水平位置数据，仪器便于携带、操作灵活简单，探测时对被探测的目标管线输送运行不产生任何影响；本实用新型的探测装置可实现：地下管线埋深0m—10m深度探测误差≤0.5 米，平面位置探测误差≤0.5米；地下管线埋深10m—20m深度探测误差≤0.75米，平面位置探测误差≤0.75米；地下管线埋深20m—30m深度探测误差≤0.75米，平面位置探测误差≤1.0米。

常规管线仪的探测和接收显示设备为一体化设计，虽携带方便、使用直观，但探测深度受限。本实用新型将探测设备与接收显示设备分离，探测设备设计为棒式，借助钻孔深入地层内部，采集的信息通过数据线传至地面的接收机，同时实现可视化。利用常规管线探测仪，辅以长导线接地的方式获得管线的大概位置及埋深，在偏离待测管线2米左右的安全位置钻孔，利用改造后的小型化管线探测仪(棒式)，在深度方向接近待测管线，当接收机信号最大时，表明接收机所处的位置与待测管线间距最小，此时探棒与待测管线大致处于同一水平面，从而确定管线的埋深和位置。

参照目前现有各种探测仪器设备基础上，采用电磁方法原理，向被探测的目标管线发射一个电流信号，电流信号沿管线传播，并在管线周围产生信号电流电磁场，用接收机探测信号电流位置——即目标管道位置。本项目利用市场现有的电磁方法原理仪器设备，不改变信号发射机工作原理与构造，采用低频、增大其发射功率有利于提高探测灵敏度。将一体化结构变为两部分，把仪器的信号接收线圈改为外置，变成可移动探棒，探棒通过导线与显示主机相连接；把显示部分变更为大屏幕显示(大小与便携式计算机相当)，显示这部分包含信号处理机与显示屏幕。对现有接收机信号处理软件做相应的调整变更，使其能够实时显示探测信号强度和数据分析处理结果(即目标管线深度和水平面位置距离)。

在本实用新型一具体实施例中，本实用新型探测采用电磁方法原理，给管道施加一个电流信号，电流信号沿管道流动，由此在管道周围产生一个施加信号电流的电磁场。其电磁场强度和分布规律符合下面公式：

B₀＝μ₀I(2)

式中：B—信号电流磁感应强度，T；B₀—管道中心的电流磁感应强度，T；R—探棒到管道中心的距离，m；μ₀—导体材料真空磁导率，H/m；I—流经管道的信号电流，A。

用一个感应线圈可以探测到管道电流信号磁感应强度分布情况(即仪器探棒)，通过分析信号电流磁感应强度变化情况可以判断出管道的位置所在。仪器探棒磁感应强度信号大小分布规律符合下面公：

B_in＝A·B (3)

A＝A₀·sin θ (4)

式中：B_in—探棒磁感应强度，T；A—探棒线圈磁感应面积(有效面积)，m²； A₀—探棒感应线圈的绝对面积，m²；θ—探棒线圈平面与磁感应线的夹角，°。

探测时仪器探棒线圈平面可以平行于地面放置，也可以垂直于地面放置。探棒感应线圈平面垂直于地面放置时，如果探棒位于地下管道的正上方，这时距离管道最近，探棒线圈平面与磁感应线成90度夹角，线圈有效面积(A)最大，得到信号电流磁感应强度最大；当探棒沿地平面偏离管道时，信号电流磁感应强度会减小，偏离管道越远信号电流磁感应强度就越小，这种探测方法称为峰值法探测，其磁感应强度分布符合公式(1)和(3)。如果探棒线圈平面平行于地平面放置，当探棒位于管道的正上方时，探棒线圈平面与磁感应线成0度夹角，探棒有效面积(A)为零，信号电流磁感应强度也就为零(由于探棒形不成磁力线切割)。当探棒偏离管道时，探棒线圈平面与磁感应线形成度夹角(θ)，产生有效面积，偏离越远，夹角越大，信号电流磁感应强度就越大，这种方法称为谷值法探测。所以采用谷值法探测时，探棒感应磁场强度B_in可以写成：

式中：h—探棒距管道的垂直深度，m。

峰值法探测时，通过在地下一定范围内不断垂直移动探棒，记录垂直距离(地面至探棒底端)、信号大小，寻找磁感应信号最大点(即管道与探棒垂直时)发现目标，记录的信号大小数据可拟合成正弦曲线(图5A)，当磁感应信号最大时，记录的垂直距离即为待测目标的理论敷设深度；而谷值法探测是通过地下一定范围内不断垂直移动探棒，记录垂直(地面至探棒底端)、信号大小，寻找磁感应信号最小点(即管道与探棒垂直时)发现目标，记录的信号大小数据可拟合成余弦曲线(图5B)，当磁感应信号最小时，记录的垂直距离即为待测目标的理论敷设深度。由此可以清楚判断与探棒位置垂直方向是否有目标管道。

在本实用新型一具体实施例中，探测超常大埋深管道位置，首先在探测目标管道附近打一个勘探小孔(DN50至DN90)，通过把仪器探棒放入孔内，逐步接近目标管道，探测误差会逐渐缩小。当采用峰值法或谷值法探测，如果探棒放入桩孔后，仪器信号增益调到一定大时，随着探棒自地面逐步深入，信号强度越来越大(小)，当探棒底端与目标管道处于同一水平位置时，磁场感应信号强度很大小或接近于零，说明目标管道在孔正下方或距离很近；如果目标管道磁场感应信号有一定的值，说明目标管道不在桩孔正下方，与桩孔有一定水平距离，磁感应信号强度如图7所示。通过分析比较勘探孔内不同深度信号强度大小，可以判断出勘探孔与目标管道的水平距离和垂直距离，单个孔位不能确定管道位于孔位的左侧或右侧，只有通过比较不同水平位置两个勘探孔探同一个深度磁场感应信号大小，可以分析出目标管道在勘探孔的方向，勘探孔探测示意图见图6。

如图6所示，探棒在探测位置1、2处时，目标管道磁感应强度B₁、B₂由公式(5) (6)得：

式中：B₁——探测位置1磁感应强度，T；R₁——探测位置1到管道直线距离， m；h₁——探测位置1距管道的垂直深度m。

式中：B₂——探测位置2磁感应强度，T；R₂——探测位置2到管道直线距离， m；h₂——探测位置2距管道的垂直深度m。

h₂＝h₁-Δh (9)

式中：Δh——探测位置1、2间隔距离m。

式中：L——勘探孔距管道的水平距离，m。

所以式(8)可以改写为：

通过实际探测可以得到位置1、2处目标管道磁场感应信号强度B₁、B₂的数值和位置1、2之间距离Δh。联立式(7)和式(11)，可得到一个只含有L与h₁的方程组，通过解方这个程组，即可得到勘探孔距目标管道的水平距离L和垂直埋深h₁。

在本实用新型一具体实施例中，本实用新型探测装置的探测数据分析处理软件处理功能具体包括：

(1)探测数据处理终端实时接收数据，通过内置处理软件进行数据处理，绘制出信号大小的渐变曲线，该曲线定为正弦曲线或余弦曲线，当采用波峰方法探测时为正弦曲线，采用谷值法探测时为余弦曲线。

(2)当信号达到最大(小)时，此时探棒底端理论上与待测目标的管中处于同一水平面，数据处理终端模拟的信号处于正弦曲线的峰值位置或余弦曲线的谷值位置，显示管线埋深以及探棒距离待测目标的水平距离。

(3)数据处理终端具有管线深度及水平预判功能，当探棒自地面开始沿孔位下降时，计算正弦(余弦)曲线的参数(孔位距离待测目标水平间距有关)，预判管线的理论深度与理论水平间距。

(4)数据处理终端数据输出功能，输出正弦曲线(余弦曲线)，指示管线埋深及水平位置，输出检测报告。

本实用新型通过探测棒及信号接收机可拆卸式连接，配合信号发射机对地下管道进行探测，便于对超常大埋深地下管道进行探测，同时可以确保探测精度，便于工程实现。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超常大埋深地下管道探测装置，其特征在于，所述装置包括：信号发射机、探测棒及信号接收机；

所述信号发射机通过闭合电路向空中及地面以下发射电磁信号，以在管道周围产生磁感应信号；

所述探测棒包括通过导线连接的线圈探头与连接插头，所述探测棒通过所述连接插头与所述信号接收机连接，所述线圈探头通过探入至所述管道附近的勘探孔中采集磁感应信号，并将采集到的磁感应信号发送至所述信号接收机；所述信号接收机接收所述探测棒采集到的磁感应信号，以确定所述管道的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号发射机包括信号发射机主机，通过导线使地球与所述管道连接，使地球、所述信号发射机及所述管道形成一个回路，激发电磁信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号接收机包括探头接口与显示单元，所述探头接口与所述探测棒的连接插头连接，所述显示单元用于显示所述管道的位置信息及所述探测棒采集到的磁感应信号强度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测棒与所述信号接收机通过导线连接，导线长度与所述管道敷设深度有关。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，连接所述信号发射机与接地极之间的导线长度大于10米，或根据探测条件确定长度。

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