散射扫描成像技术在深层管线探测上的应用.pdf

62http:/电 力 勘 测 设 计增刊1是大于 10 m 的深层管线，由于此类管线检查井少，距离地表的埋深大，且大部分为混凝土结构，为管线探测带来了极大困难，常规的地质雷达、管线仪很难对其产生响应。本文通过采用地震波散射扫描成像技术对深层管线进行探测及成像4，基于地震波场中散射波的散射扫描成像方法，最大好处是对于探测管线没有材质的约束(尤其针对 PE 管材及水泥管线有显著效果)，且基于波动理论的成像方法精度高，DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.013散射扫描成像技术在深层管线探测上的应用朱亚洲，黄业胜，张玮玮(北京电力经济技术研究院有限公司，北京100032)摘要：以北京地区电缆隧道设计工程的地下管线探测为背景，针对电力、燃气、雨污水等深层管线探测的难题，提出运用频率域地震波散射成像技术，结合散射扫描成像系统，实现深层全材质的地下管线探测，有效应对城市管线探测复杂干扰环境，解决电缆隧道设计施工安全问题，具有较高的应用价值和社会经济效益。关键词：地下管线探测；散射波；成像技术中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-62-05Application of Scattering Scanning Imaging Technology in Deep Pipeline DetectionZHU Yazhou,HUANG Yesheng,ZHANG Weiwei(Beijing Electric Power Economic Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100032,China)Abstract:Based on the underground pipeline detection of cable tunnel engineering in Beijing as the background,for deep like electricity,gas,rain sewage pipeline detection problem,put forward using the frequency domain of seismic wave scattering imaging technology,combined with the scattering scanning imaging system,realize the deep material underground pipeline detection,all of them,and effectively cope with the complex interference environment,city pipeline detection It has high application value and social economic benefit to solve the safety problem of cable tunnel design and construction.Keywords:underground pipeline detection;scattering wave;imaging technology*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：朱亚洲(1990)，男，硕士，工程师，主要从事电力工程测绘等工作。基金项目：国家电网有限公司依托工程基建新技术研究项目(SGBJSY00JJJS2200566)。0引言随着城市的发展，城市中输变电工程的建设逐渐增多，人们也越来越意识到地下管线探测在输变电工程建设中的重要性。地下管线信息资料的准确性和完整性也直接影响输变电工程的建设和管理。管线探测是获取地下管线信息的主要手段，针对浅层地下管线，通过开井观察、地质雷达、管线仪等方法1-3判断其走向与位置，而深层管线即深度大于 5 m、甚至63散射扫描成像技术在深层管线探测上的应用http:/ 工程勘测 增刊1 可以完成管线及周围结构情况的高精度成像。1散射波探测管线原理常规地震反射勘探结果受到波长、成像网格等限制，分辨率往往较难满足微幅构造描述的要求。而当地震波场经过小尺度地质异常体时会激发绕射波场，地震数据中的绕射波具有较高的分辨能力，是精细描述小尺度地质异常体的一个重要方法。当地震波经过小尺度异常体时会激发散射波场，形成诸如镜面反射、边缘衍射、尖端绕射和爬行波等。虽然其路径发生改变或弯曲，但仍符合惠更斯原理，以球面波形式传播。散射波信息经过偏移成像之后的数据体可以更为准确地反映地下管道特征及其空间位置，具有超高分辨率。如图 1 所示为散射波产生示意图。地面激发的地震波向地下传播，当遇到异常体时，会产生散射波，即异常体作为次级震源，向周围“发射”次级信号，形成散射波，其中一部分向上传播到地面，被地面检波器接收，通过叠加偏移处理，可以将散射信号“归位”到异常体的位置，从而达到探测地下异常体的目的。02004006008001 00002004006008001 000图1散射波产生示意图2探测设备本项目中使用的散射扫描成像设备是国产自主研发的 SVG-50 型便携式可控震源及ALLSEIS-4C 地震采集节点，并结合配套的浅层高精度散射波扫描成像探测方法与算法软件，使探测到的深层管线数据得到精准的分析与成图。SVG-50 型便携式可控震源系统全套重量不足 10 kg，可激发 5 1 500 Hz 的可控扫频震动，单人可操作探测，IP65 防护设计，坚固耐用，见表 1 所列。ALLSEIS-4C 系列地震采集节点，一体化、小型化设计的无缆地震仪是将采集站、检波器、电池、GPS 模块、数据传输等模块全内置于节点中，整体更加轻便和坚固耐用。融合 2 Hz 三分量检波器和 150 Hz 垂直分量检波器，可应用于频率成像、反射波、散射波、面波的联合勘探，以及微震监测，见表 2 所列。表1可控震源参数参数参数值重量5 kg出力50 N扫描频率范围51 500 Hz扫描时长15 s工作温度-20 50 供电12 V DC表2地震采集节点参数指标参数ADC分辨率24位采样间隔0.5 ms、1 ms、2 ms、4 ms、10 ms可配置增益精度0.1%实时动态范围125 dB 2 ms(典型值)等效输入噪音1Vrms 2 ms(典型值)64http:/电 力 勘 测 设 计增刊1指标参数共模抑制比95 dB自然频率2 Hz+15%灵敏度260 V/m/s65%damping重量2.2 kg工作温度范围-30 +70防水等级3 m水深，48 h无渗漏3探测方案制定通过散射扫描成像方法进行地下管线高精度探测，需要根据地下管线的大致分布设计合理的采集观测系统，主要包括：接收点距、排列长度、激发点距、扫描频率范围等方面。1)接收点距：通过多个参数试验，确定接收点距与管径的关系，以管径 1 m 为例，试验接收点距 0.25 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m 的探测效果(地震勘探经验一般为：接收点距一般取管径的 1/2，即探测 1 m 管径的管线，接收点距取 0.5 m)。2)排列长度：试验排列长度为管线埋深不同倍数时的探测精度，以埋深 5 m 为例，试验排列长度 2.5 m、5 m、7.5 m、10 m 的探测效果(地震勘探经验一般为：排列长度一般取管线埋深的 1.5 倍)。3)激发点距：分别试验不同激发点距的探测效果，激发点距一般选接收点距的倍数，分别试验激发点距为接收点距的 1 倍、2 倍、3 倍、4 倍时的探测效果(地震勘探经验一般为：激发点距一般取 2 倍接收点距)。4)扫描频率范围：试验不同扫描频率的成像深度和效果，一般遵循“埋深浅选高频、埋深深选低频”的原则，分别试验 20 1 000 Hz、10 1 000 Hz、5 1 000 Hz 的成像深度。4工程实例应用4.1 本工程布设方案根据本次探测的目的和测线布置要求，测线布置遵循以下原则：1)测线应布置应围绕探测目标体设计，采用相互平行的多条测线对地下目标进行覆盖；应在地下管道的切向上布置至少 2 条平行的横切测线。旨在结合多个剖面图中的管道特征，准确判断管道位置。2)本次探测在无名道路上的测线布置为：沿道路走向(南向北)布置 2 条平行测线，线间距 2.3 m，道间距 0.5 m。旨在结合多个剖面图中的管道特征，准确判断有无管道和管道位置。NL2L12.3 m图2道路测线布置示意图3)本次探测在草坪上的测线布置为：由于草坪附近有井，管沟的走向已知，因此只布置一条横切管沟走向的测线。旨在获取已知方沟的特征图像，验证探测图像与实际情况的对应关系。N?L3图3草坪测线布置示意图4.2本工程数据采集方法4.2.1 采集参数探测工作前进行数据采集参数选取的试验工作，确定采集参数，选取的参数是否合理关系到采集数据品质和探测成果的精度，采集参数和原则为：采样率 1 000 Hz，道间距 0.5 m，线间距 2.3 m。4.2.2 外业数据采集根据试验结果确定采集参数后，开始正式续表65散射扫描成像技术在深层管线探测上的应用http:/ 工程勘测 增刊1 数据采集工作，在采集的数据图像正常时尽量保持采集参数不变，数据采集时遵守以下原则：1)仪器操作员要实时监视采集图像，当采集的数据图像质量变差而影响探测效果时，要停止数据采集工作，分析原因，必要时重新采集。2)出现不合格原始数据时，及时分析原因，如因人为原因造成的不合格应及时返工，并采取预防和纠正措施。3)及时做好原始数据的转存、备份，防止原始数据的丢失。本次探测任务共完成 2 个位置区，布设测线 3 条，散射波地震成像 126 个物理点，浅层散射炮点 63 个，完成度 100%。4.3 数据处理在室内将野外测量数据传输到计算机中，采用配套专用的算法处理软件进行数据处理。数据处理时对文件进行预处理、增益调整、滤波和成图等，最终得到成果图像。其流程如 图 4 所示。?图4数据采集和处理流程图4.4 探测数据分析4.4.1 道路散射波地震成像结果解释说明1)如图 5 所示，L1 测线采集时有施工起重机往返经过，对地面设备带来强震干扰，因此黄色圆圈内的红色高亮反射不够清晰，干扰较重。2)L2 测线采集时测区内无强震干扰，因此管线的红色高亮反射区域边界清晰、明显，易识别。3)道路面层、路基、原状土通常成层状，故图 5 中存在黄色、绿色、浅蓝色的连续界面，在界面中存在的红色高亮反射，为散射波异常信号，由不同材质的异常体引起，且材质与土壤的弹性差异越大，颜色能级越强、越明显。4)单一测线剖面中的高亮、同心圆状异常，并不能直接判断为管线异常；需要将 2 条或以上的平行剖面中的管线特征连接，才能准确判断该特征为管线，而非孤立异常体。综上所述，道路测区地下存在 3 条近东西走向的深层地下管线，其中 YC1 管线埋深约9 m，YC2 管线埋深约 11 m，YC3 管线埋深约10 m。202510YC1YC2YC3150?5?10?15?10?15?552025101505注：图中单位为。图5道路散射结果4.4.2 草坪散射波地震成像结果解释说明1)如图 6 所示为已知管沟的成像结果，管沟的截面为近似的矩形，沟中间可视为空洞。2)地震波从地表向地下传播，遇到不同材质的界面会发生强散射和透射，透射波的能量会被各个界面层层削弱，然后继续向深层传播，并进行多次散射和透射。3)土壤与管沟顶面的反射是最清晰的，如图 6 方框上部的红色较平整的高亮反射顶面。而管沟的底面因为经过的管沟内部的空洞等材质削弱能量，变得不够明显，但和管沟两侧的岩土结构仍然存在明显差异，可以此判断管底位置。综上所述，草坪测区地下存在近东西走向的 YC4 方沟，管顶埋深约 7 m，管底约 10 m，截面宽约 2 m。66http:/电 力 勘 测 设 计增刊1YC4-2-4-6-8-10-12-14-16-18-204602注：图中单位为。图6草坪散射结果5结语目前，城市内的地下管线探测5仍有许多问题待解决，其中深埋管线的探测是管线普查、专业管线探测面临的难题。本文利用地震波散射扫描成像技术进行深层管线探测的采集与分析，实现了地下 10 m 左右深度的管线探测与高精度成像，提高了设计与施工的精准性及安 全性。参考文献1 王健，江怡芳，朱能发，等.综合管线探测技术在城市管线探测中的应用J.测绘通报，2015(增 刊2)：52-56.2 董博，李俊霞，李海鹏，等.电磁感应法在地下管线探测中的具体应用J.北京测绘，2020，34(8)：1095-1098.3 苏宁，马听.地质雷达在地下管线探测中的应用研 究J.城市勘测，2022(3)：174-176.4 邵婕，唐杰，孙成禹.地震波散射理论及应用研究进展J.地球物理学进展，2016，31(1)：334-343.5 王文龙.地下管线探测对市政工程的作用分析J.中国建筑金属结构，2021(8)：132-133.(编辑 卢靖冉)