瞬变电磁法在城市地下管线调查中的应用研究

Research on Application of Transient Electromagnetic Method in the Survey of Urban Underground Pipeline

摘要: 地下管线是保证城市日常运行和可持续发展的支撑体系，为城市提供必不可少的生活保障。然而，在城市道路修建过程中由于缺乏基础资料，导致管线破坏事故频繁发生。因此，为了能快速而准确有效探测地下空间中潜在的管线以及走向，本文将拖曳式高分辨瞬变电磁系统应用到城市地下管线探测中。以深圳市光明区地下污水金属管线勘查实例，介绍了瞬变电磁法的工作原理、数据采集设备和反演处理方法。将瞬变电磁法反演结果和地震散射结果进行对比分析，结合实际现场情况验证了瞬变电磁法的探测结果。通过上述案例可以得出：拖曳式高分辨瞬变电磁系统在城市地下管线调查中具有效率高，分辨率强以及抗干扰能力强等优点，能够适应复杂的城市工作环境。本文研究工作为城市地下管线和病害体的调查提供更高效的方法和技术。

Abstract: Underground pipelines are a supporting system to ensure the daily operation and sustainable development of the city, and provide an indispensable life guarantee for the city. However, due to the lack of basic data during the construction of urban roads, pipeline damage accidents frequently occur. Therefore, in order to detect potential pipelines and directions in underground space quickly, accurately and effectively, the towed and high-resolution transient electromagnetic system were applied to the detection of urban underground pipelines in this paper. Taking an example of underground sewage metal pipeline survey in Guangming District, Shenzhen, the working principle of transient electromagnetic method, data acquisition equipment and inversion processing method are introduced. The inversion result of the transient electromagnetic method and the seismic scattering result are compared and analyzed, and the detection result of the transient electromagnetic method is verified in combination with the actual field conditions. Through the above case, it can be concluded that the towed and high-resolution transient electromagnetic system has the advantages of high efficiency, high resolution and strong anti-interference ability in the urban underground pipeline survey, and can adapt to the complex urban working environment. The research work in this paper provides more efficient methods and techniques.

1. 引言

地下管线是保证城市生存和可持续发展的支撑体系，为城市提供必不可少的物质运营条件，是城市的“生命线”。地下管线由给水、雨水、污水、电力、电信、煤气、热力、电视、路灯、工业、公交等组成，其线位的选址在数据上的一点偏差都可能带来增加工程量或不可估量的安全事故。

地球物理方法种类很多，可以解决从地表到地壳上千公里的地质问题，为国家的能源矿产调查起到了决定性的作用，具有不受场地条件限制、环保等优点，因此被用于城市地下管线调查中 [1] - [7]。瞬变电磁法是通过不接地回线或接地线源向地下发送一次场，在电流关断间歇期间内接收感应二次场的变化 [8] [9]。该方法的优点是纯二次场观测，其分辨率高、探测深度深，对低阻异常体敏感。传统瞬变电磁法主要应用于空旷山区，勘探仪器主要采用国外设备，电流关断时间很长，造成浅表的异常信息丢失，形成了瞬变电磁的探测盲区。近年来，以吉林大学林君院士、重庆大学付志红教授、中南大学席振铢教授和中国地质大学(武汉)梁庆九等人在国产化浅层瞬变电磁仪器研制上取得了非常突出的成就。其中，重庆大学付志红教授及其团队等人在瞬变电磁发射机高速关断技术、线圈消互感技术、高速采样率以及数据处理反演等方面取得了重大进步，为实现城市浅地表地下空间精细探测提供了强有力的保障 [10] [11]。

2. 瞬变电磁法原理和数据处理方法

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法。目前，该方法已成为浅地表工程地球物理调查的重要方法之一，被广泛的应用于工程、水文地质调查，环境调查等诸多领域 [12] - [19]。图1表示发射电流关断后，不同时刻地下等效电流环的分布示意图。从图中可以看到，等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”。因此，将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应” [20]。

Figure 1. The “smoke ring effect” of transient electromagnetic fields

图1. 瞬变电磁场“烟圈效应”

传统的瞬态电磁数据处理方法是采用烟圈快速成像技术。该方法是一种半定性和定量的粗糙处理方法，具有精度低，对异常目标深度不敏感的缺点。烟圈快速成像理论的计算公式如下。某时刻烟圈的垂直深度d_r和垂直传播速度v为 [20]：

$d_r=\frac{4}{\sqrt{\text{π}}}\sqrt{\frac{t\rho }{{\mu }_0}}$ (1)

$v=\frac{2}{\sqrt{\text{π}}}\sqrt{\frac{\rho }{{\mu }_{0}t}}$ (2)

其中ρ为均匀半空间的电阻率，单位为W×m；t为采样延时，单位为ms；μ₀为真空中的磁导率。

通过计算化简，可以得到视电阻率 ${\rho }_r$ 和视深度H_r计算公式，如下：

${\rho }_r=4{\left[\frac{\sqrt{t_j{\rho }_j}-\sqrt{t_i{\rho }_i}}{t_j-t_i}\right]}^2{t}_{ij}$ (3)

$H_r=0.441\frac{\left(d_{r1}+d_{r2}\right)}{2}$ (4)

其中， $t_i{t}_j$ 为相邻时间道的采样时间，并且 $t_j>t_i$， ${\rho }_i$ 和 ${\rho }_j$ 为相邻时间道的全区视电阻率， $t_{ij}$ 是 $t_i$ 和 $t_j$ 的算术平方根。

本文采用非线性粒子群优化算法进行反演计算。粒子群优化算法核心思想是：将鸟或鱼简化为粒子，粒子的位置代表最优化问题中的可能解，食物的位置代表最优解，所有粒子在一定的规则下，向着最优解位置运动 [21] [22] [23]。

在寻优开始时，粒子群算法首先在搜索区域范围内随机初始化m个粒子，作为迭代初始值。然后粒子根据公式(5)实时更新自己的速度及位置：

$v_{i,j}^{k+1}=v_{i,j}^k+c_1{r}_1\left(pbest{x}_{i,j}^k-x_{i,j}^k\right)+c_2{r}_2\left(gbest{x}_{i,j}^k-x_{i,j}^k\right)$ (5)

$x_{i,j}^{k+1}=x_{i,j}^k+v_{i,j}^{k+1}$ (6)

式(6)中，j为搜索空间的维度，c₁和c₂为学习因子，r₁和r₂为(0, 1)之间均匀分布的两个随机数。Xu (2020)在文章中详细的探讨了粒子群优化算法的参数选择和反演拟合精度，得出该算法是一种高效、准确的全局优化算法 [24]。

通过汉克尔变换和余弦变化求解瞬变电磁时间域响应 [25] [26]，构造如下目标函数为：

$\Phi \left(v,t\right)={\Vert d\left(v,t\right)-X\left(v,t\right)\Vert }_2$ (7)

其中 $d\left(v,t\right)$ 表示野外实测数据， $X\left(v,t\right)$ 表示正演数据，模型输入为电阻率和层厚参数。

本文采用拖曳式高分辨瞬变电磁系统(图2)进行野外采集工作。该系统由瞬变电磁主机、收发一体线圈、数据处理与成像软件组成，采用了自主知识产权的“恒压钳位”高速线性关断和无损消互感技术 [10] [11]，结合高密度高动态信号采集，具有极强的浅层和高分辨探测能力，拖曳式观测模式极大提高了工作效率，整套系统轻便小巧、实用高效，便于野外作业。

Figure 2. High-resolution towed transient electromagnetic detection system

图2. 拖拽式高分辨瞬变电磁系统

3. 瞬变电磁法应用案例分析

3.1. 工程概况

深圳市光明区部分区段进行地下污水管线的探测，本次精细勘察主要查明指定区域内的地下污水管线的位置和走向。现场地层物性，具备物探的探测条件。

3.2. 测线布置

本次瞬变电磁探测共布置2条测线(图3)，测量点距0.5米，发射电流60 A，发射频率16 Hz，最大观测接收时间为1.0232 ms，数据叠加200次，使用CL500线圈进行探测。据已知资料查询，该污水管的材质为金属材料，直径约1.5~2.0 m，管道内有少量流水。

Figure 3. Layout of the field survey line of the transient electromagnetic method

图3. 瞬变电磁法野外测线布置图

3.3. 瞬变电磁法探测结果分析

使用粒子群优化算法对L1和L2瞬变电磁数据进行一维反演处理，得到图5瞬变电磁反演视电阻率断面图。图4表示瞬变电磁多测道图，其中图4(a)表示测线L1多测道图，图4(b)表示测线L2多测道图。

从图4中可以看出，测线L1在相对里程10~13 m之间，瞬变电磁响应信号增强(图4(a))，测线L2在相对里程11~14 m之间，瞬变电磁响应信号增强(图4(b))，这表明异常体呈低阻响应。

Figure 4. The multi-channel map of transient electromagnetic method. (a) L1; (b) L2

图4. 瞬变电磁法多测道图。(a) L1；(b) L2

图5表示瞬变电磁法视电阻率断面图，其中图5(a)表示测线L1的反演结果，图5(b)表示测线L2的反演结果。结合野外现场分析，从图5中可以分析可得，测线方向由南向北，长25 m，深度15 m。反演电阻率结果中表层厚5 m以内为低阻，电阻率值在40~80 W×m之间，对应位置为回填土层，其下埋深5~15 m范围，电阻率值在100~300 W×m之间，推断为粉质粘土层，地层趋于稳定。

Figure 5. The resistivity profile map of the transient electromagnetic method. (a) L1; (b) L2

图5. 瞬变电磁法视电阻率断面图。(a) L1；(b) L2

测线L1相对里程10~13.5 m处的7~9.5 m深度内有一处低电阻率异常区，测线L2相对里程11~13.5 m处的8~10 m深度内有一处低电阻率异常区。据已知资料，该污水管为金属材料且管内有少量流水。对于瞬变电磁法来说，电磁波对金属和水等低阻敏感。电磁波传播到金属管道时，金属管壁会对电磁波产生屏蔽作用，信号增强。结合已知资料，推测该低阻异常区域为污水主管所在位置。

图6是在测线L1处平行进行的地震散射探测，从地震散射波速分布图中可以看出，测线相对里程9~11.5 m处的9~10.5 m深度内有一处低速异常区。这是因为地震波波长比较长，很容易穿透金属管壁，到达管壁内部。由于管道内含有少量水，其余充满空气。当地震波从周围介质传播到空气时，速度迅速降低，呈相对低速异常区域。该异常区与瞬变电磁测线1的异常区域比较吻合，验证了瞬变电磁探测结果的准确性。

Figure 6. Distribution map of seismic scattering wave velocity

图6. 地震散射波速分布图

4. 结论

本文将拖曳式高分辨瞬变电磁系统应用到城市管线探测调查中，对瞬变电磁法采集的数据进行一维反演处理。将得到的反演结果和地震散射结果进行比较分析，验证了瞬变电磁法探测结果。通过本次工程试验结果表明，拖曳式高分辨瞬变电磁系统在地下管线异常调查中具有效率高，分辨率强，抗干扰能力强等优点，能够准确而直观地反映出地下金属管线的分布范围和空间展布情况。通过此次探测结果，可以为下一步管网综合治理提供准确的物探资料。本文的研究工作为城市地下空间管线和病害体等调查提供了更高效的方法和技术。

基金项目

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司院内项目：高水位管道智能检测技术与装备系统研发(编号：dky2020xz79)。