1、 开挖验证超限差引起的思考

     在地下管线探查过程中，对隐蔽管线开挖验证不仅是验证地下管线探测质量的直接手段，也是验证探查方法和采用的技术措施有效性的必由之路。特别是后者若应用得当，会帮助探查者筛选出最佳探查方法、合理的技术参数以及有效的技术措施，从而保证探查结果的数学精度。可是在进行开挖验证时往往出现一些超限差的问题令人深思，比如对超限差的不理解，找不出原因，有的探查者感到茫然，会不解地说“仪器探测就是这样，难道仪器不准”。为了找出原因，我们曾解剖了一些开挖超限差的典型案例，使用管线探测仪在开挖点进行各种方法的试验，许多疑点得到解释，归纳起来有：超限差的开挖点大多是使用电磁感应法探查的管线点；使用直接法改变了感应法出阿信的电磁信号不稳定或信噪比较小的问题，探查结果在精度限差之内；使用感应法测埋深加上修正系数，也使埋深不超限差等。

     对于目前普通习惯于使用电磁感应法的现象看，固然有许多原因，经济原因不是本文要讨论的问题，该方法的长处也毋庸置疑，显然只剩下探查技术因素了。

从一些探查人员对开挖验证超限差感到茫然，埋怨仪器的心理因素分析，应属于对电磁阀的基本原理如何结合实际应用不甚清楚，从而对复杂的探测环境特别是来自发杂的地下介质中的电磁干扰问题缺乏足够认识，将电磁阀实际应用的物理前提理想化的结果。

为从技术方面保证地下管线探测质量，本文仅就地下介质干扰源对管线电磁异常的影响问题谈几点粗浅认识，希望对上述因该问题感到茫然的同行有所启示。

2、 地下介质电磁干扰场的表现形式

在使用磁偶极子做场源进行底线管线探查时，常常会遇到电磁信号飘忽不 定，很难确定地下管线的平面位置和埋深等情况，这就属于电磁干扰，具体表现形式大概如下。

2.1电磁场强度突然减弱

在发射机工作正常，接收机和发射机的距离在最佳收发距离之内，接收到的电磁信号突然减弱或增强，甚至使读数十分困难，增加或降低增益无效。

2.2电磁先好不稳定

在对某一地段或对某一条地下管线进行探查时，接收到的电磁信号十分不稳定，不仅无法测定管线埋深，甚至无法确定管线的准确位置；有的情况还呈现不稳定的较宽的峰值区间。

2.3管线异常发生异常

Hx或△Hx异常两侧或单边的峰值不能衰减到正常场；异常平缓，幅值上升或衰减缓慢，异常范围变宽；异常曲线局部发生畸变；Hx或△Hx在管线上方无零值点等。

2.4测深困难

直读测深偏离实际埋深太大或者埋深读数时高时低，甚至不显示埋深数；直接埋深和比值法测深差别较大；比值法测深两边不对称且差别较大等。

3、 地下介质的电磁场

3.1城市地下板空间的基本状况

（1）地下介质中的干扰体

  在30多年的改革开放期间，我国城市的基本面貌已经发生了翻天覆地的变化，新建区域逐年扩展、旧城改造日新月异，昨天还是垃圾堆或者废旧坑，一夜之间可能已变成平地或宽敞的马路，大量拆迁垃圾被填入新建的道路、建筑物的地下，许多建筑垃圾被用于新建地下管线的覆土而盖在地下管线上方。

  由此造成大部分城市的地下空间充斥着形状各异、物质成分复杂、物理性质极不均匀的各向异性的导电介质。介质中有的富含矿物质和水，使其电导率打打增强；有的磁性物体再加其他回填杂土共同构成地下管线上不的覆盖层；局部导电体从分布形态看，有的呈球状体和板状体分布在管线两侧或管线上方；有的呈线状物体分布在管线附近；大多数呈不规则体分布在管线周围。除此之外，由于城市用电设施高度集中，工业电缆和工业用电设施接地产生的50Hz游散电流，均可以使地下介质中带有不同频率和强度不等的干扰电磁场。

（2）地下管线基本状况

绝大多数城市的地下管线呈多条数、多种类、多材质、多种埋设方式并存，许多平行埋设的地下管线间距小于埋深，还有许多地下管线相互交叉、甚至上下重叠，形成了纵横交错、相互连通、十分复杂的地下管线网络群、网络带。

3.2均匀地下介质电磁场的特点

让我们重温一下简历在均匀地下导电介质基础上的电磁理论，并和显示情况进行对比，可能更容易理解实际探查地下管线的复杂性。

3.2.1电磁法探测地下管线的物理模型

以法拉第电磁感应定律为理论依据的电磁法探测地下管线原理应具有一定的物理前提，这些物理前提包括：

（1）       将地下不均匀的多种导电介质视为一种均匀的导电介质；

（2）       地下金属管线的导电性（电阻率ρ。）与周围介质之间的导电性（电阻率ρ）有明显的差异，即ρ。<<ρ，以使地下金属管线中被一次电磁场激发产生的电流密度远高于地下导电介质中被激发产生的电流密度；

（3）       金属管线与大地构成回路，通入较高频率的交变电流即可等效为直立的大线圈，在一次电磁场的激发下，回路中有感应电流产生；监管先电流视为延长较长、密度较大的线电流。

（4）在地面接收由地下管线电流所产生的电磁场，由于地下导电介质中的电流磁场大大低于管线电磁场，故可以忽略不计，作为管线电磁异常的背景场或干扰场。

从这些物理条件中可以看出地下介质的重要性。这里所需求的地下介质是均匀的，即成分比较单一，物理性质相同的无磁介质，既导电，以形成地下管线在导电性上有明显的差异，这样才能将地下管线的电磁异常场从地下导电介质产生的背景电磁场中明显地区分出来。

可见在地面上接收的电磁异常场是一个综合电磁场，其中不仅包括地下管线电磁异常场，只不过由于地下介质的均匀性质，使这种干扰电磁场（噪声）比较为肉，不至于影响管线异常形态，故管线平面定位不会受到影响；既然是综合电磁成就必然使管线异常的幅值提高，从而对管线埋深比实际埋深偏深，由于这种影响很小，只要仪器操作规范埋深值不会超限差，而且定制限差标准时已充分考虑了这种因素。

上述物理模型也是电磁法探测地下管线的技术方法、探测仪器制造、限差制定的理论依据。

3.2.2地下均匀导电介质中的电磁场

如上所述，地下均匀导电介质在磁偶极源的激发下产生电磁场，之所以归属于地下管线异常的一种干扰电磁场或背景电磁场，其理论依据是充分的。

众所周知，麦克斯韦方程组揭示了电磁场最根本的规律，即变动的电厂产生的变动的磁场，变动的磁场也产生变动的电场，对于各种媒质条件下，如线性与非线性、均匀与非均匀、各向同性与各向异性都是适用的。

（1）通过垂直磁偶极源向地下均匀导电半空间施加电磁场，求解麦克斯韦方程组，可以得到电磁场在地下均匀导电介质中传播时各项分量的解并可总结如下特点：

     ①在近区（r/δ<<1），一次场的水平分量等于零，观测到的水平分量只是由导电半空间中的感应电流引起的；在远区（r/δ>>1），水平分量大于垂直分量，随着r/δ的增加，两个分量逐渐趋于相等；

②当r/δ较大时，地表下部的电磁场沿垂直方向呈指数规律衰减，二次场几乎等于一次场（符号相反）；

③当r/δ较小时，二次场各分量均小于一次场。

  [r-观测点到场源的距离；δ-趋肤深度；δ=503 （m）；ρ-地下介质电阻率（Ω· m）;f-磁偶极子场源频率（Hz）]

（2）通过垂直磁偶极源向地下均匀导电半空间施加电磁场，同样可以求解出地下导电半空间中感应电流所产生的磁场各分量的表达式（略）。

可见均匀导电介质在磁偶极场源激发下会产生电磁场的结论，其理论依据是充分的，不仅为电磁法探测地下管线，也为进一步研究地下介质中的干扰电磁场奠定了理论基础。

3.3低阻地下导电介质电磁场特点

低阻地下介质大致有两种类型，一是地下管线周围全部被低阻介质包围（低阻围岩）；二是地下管线周围存在局部导电体。

（1）低阻围岩的电磁场

       电阻率比较低的地下介质一般属于含矿物质较高的覆盖层上充足的水，使矿物质以离子的形态随水溶液侵蚀于近地表的介质（沙、粘土）或管线覆土中，降低了地下管线周围介质的电阻率。如滨海城市被海水侵蚀以及长期被盐池中的卤水侵蚀的地下介质。

 这类地层的电阻率也不尽相同，地层中导电离子含量和电阻率成反比，当导电离子含量达到较高浓度后，使地下介质和金属管线的电阻率差距较小，此时地下介质呗一次电磁场激发产生的二次电磁场显著增高，大大提高了地下管线异常磁场的背景值，使管线异常场和地下介质的背景电磁场差距很小，南一区分地下管线异常。

（2）局部良道题的电磁场

在地下管线和周围地下介质之间的电阻率差异较大的情况下，局部导电体电磁场的影响是一个十分复杂的问题。

首先，局部导电体的不规则使电磁异常不规则。根据时变电磁场理论，地下导电介质在磁偶极子的激发下产生虚分量电磁场，同样局部导电体在磁偶极子的激发下其内部也会产生虚分量涡流，由于趋肤效应，是这些涡流沿良导体边缘流动，涡流之间的相互耦合产生实分量描述，使其不规则的磁场也难以寻求规律。这样的电磁异常一旦成为地下金属管线异常的干扰源，对管线异常的影响是无法避免和剔除的。即使有些规则的局部导电体，如球状体在理论上能解析出其数学表达式、板状体可以从实验室实验总结出在地下管线不同位置和处于不同形态时的电磁异常曲线，其余的不规则局部良道题的电磁异常均无法定量识别。就是少数从理论上能够定量识别和定性识别的（如球状、板状体），一旦和管线电磁异常混杂为一体也会因其复杂而难以辨认，何况在地下管线探查时也无能力、无条件、无时间识别这些不规则的局部良导体。

其次，局部良导体的电磁异常和管线电磁异常会产生“集流”作用，导致管线异常增大、增强或减弱。如上述，局部良导体被磁偶极源激发产生的涡流沿导体边缘按一定方向流动，当涡流的方向和被探管线的电流方向一致时，“集流”作用使管线电流增强，异常幅度增大，信噪比提高；当涡流方向和管线电流方向不同时，“集流”作用反而会使异常尖肉，信噪比降低，难以对管线定位定深。

4、 压制地下介质电磁干扰的技术措施

      在了解了不同地下导电介质干扰体电磁场的特点后，如何消除或压制干扰电磁场对管线异常的影响是地下管线探查中疆场遇到的难题，虽然在现有条件下许多干扰电磁场还无法识别和完全消除，但是根据电磁理论和实践经验也能够找到一些压制干扰的有效技术方法和措施。

     4.1改变场源方式

     （1）直接法

      对管道类地下金属管线，如给水、热力等，在又出露点的条件下，采用直接法，向地下管线直接发送一次交变电流，接收机接收由一次电流激发的一次电磁场。其一由于一次电流有较大的强度，被激发的磁场强度也较高，容易发现管线异常；其二由于直接对地下管线充电，避免了地下导电介质呗激发产生虚分量涡流；其三有利于提高管线异常的信噪比，当接收信号较弱时，只要减小回路电阻即可增加管线电流强度，使接收到的管线磁场信号明显增强。

      至于因地下载流管线与地下介质中的局部良导体的互感作用而产生实分量涡流不可避免，但是，由于直接法使用较低的频率（f<104Hz）,其强度也很小，在接收的总磁场中可以忽略不计，也不会影响管线异常形态。

（2）夹钳感应

对线缆类地下管线采用夹钳感应法，由于管线被感应环直接套在其中，感应环中产生的电流磁场只对被夹管线产生激发作用，避免地下介质中的良导体被激发。由于线缆之间或线缆和良道题之间的互感作用产生的实分量磁场很小，也不会影响被测管线异常形态。

4.2改变场源频率

在没有条件使用直接法的情况下，为消除或压制地下介质干扰源的影响，改变场源频率也咳收到明显效果。

频率选择在地下管线探测中的作用使极为重要的，这是因为不同频率特性的地下导电体对不同频率的电磁响应程度不同。一般请款改下频率特性和频率成正比，和电阻率成反比，提高激发频率会使地下管线容易耦合更强的电流。但是，由于地下导电介质物质成分的复杂性，决定了不同物理性质的导电介质的频率特性也很复杂，达到最佳耦合状态的频率也会不同；其次地下管线探查所需的是接收管线二次电流产生的虚分量电磁场，实分量电磁场属于干扰场，在激发频率较低时，地下导电介质不容易被激发出涡流，也就不容易产生实分量电磁场，如果提高激发频率，虽然地下管线容易被耦合产生较强的二次电流，但是地下导电介质也容易被激发产生我流，这样一来，地下管线、地下导电介质的涡流之间的相互耦合，会使本来较微弱的实分量电磁场增强，从而干扰地下管线异常磁场。

因此，当遇到地下导电价值干扰时英选择较低的激发频率，或者改变原来的激发频率，避开地下导电介质的最佳激发频率。

4.3改变场源方向

在3.3中已经描述了“集流”作用，由于地下导电介质产生涡流的方向和地下管线电流方向相同，会增强增大管线电流在总观测磁场中的信噪比。当涡流方向和管线电流方向相反时降低信噪比。

当遇到信噪比较低，难以判断管线异常时，可以采取改变激发场源方向的方法，即将激发位置移到管线另一端，以改善管线的集流效应，增强管线电流，突出管线的电磁异常。

4.4选择有利时间

由于地下管线周围被含有较高矿物质的地下介质包裹或其他形式的低阻，使地下管线和地下介质的电性差异缩小，使管线异常的背景值提高，难以区分出管线异常的情况下，可以选择下雨后的有利时间或者冬季冰冻季节进行探查。因为水容易稀释地表介质中的矿物质，使其电阻率升高，冬季近地表结冰，冰的电阻率是水的电阻的几十或者上百倍。

4.5修正探查结果

无论使用何种激发方式，对探查结果进行修正也是消除干扰的有效方法。因为在采取上述技术措施后，有的电磁干扰可能被有效压制，但不能保证所有电磁干扰均被消除或被压制，那些未被压制的电磁干扰体仍然在起干扰作用。

判断电磁干扰是否已被消除或压制的方法有两个，一是看接收的管线电磁异常是否很稳定并且有较高的信噪比；二是在同类型同条件的已知管线上验证（开挖或打样洞）。

验证结果，如果证明探查结果符合质量标准，说明采取的压制方法和措施有效，可以在相同条件的同类管线探查中继续使用；如果仍然超限差或误差较大，说明采取的技术措施无效或部分有效，可使用修正的方法，将探查结果人为修正到允许的误差之内。

修正系数（k）=实际埋深（h实）/探查埋深（h深）；

修正后埋深（h修）=kh探。

以修正后埋深作为探查成果，记录到规定的探查记录中。

该方法虽然比较麻烦，但实践证明对压制地下介质电磁干扰，提高探查精度是有效的。