一种用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统及方法与流程

1.本发明涉及地下管线探测领域，具体涉及一种可以快速确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统及方法，该方法对金属管道以及非金属管道均适用。


背景技术：

2.随着城市发展，地下管道铺设越来越密集，受地下空间限制，新敷设地下管线在穿越道路时大多采用非开挖施工，尤其在穿越建筑物、河流等地段，管道深度可达20-40米。目前现有管线探测仪均是基于频域电磁法原理进行金属管线探测，受地层介质的电阻率影响极大，在地层电阻率较低的地区一般地面探测深度范围只有5米左右，无法探测到更深范围内的深埋管道空间位置信息；对于非金属管道而言，地面探测深度更加受限制。但是，在不确定这类管道的准确位置时，对于其它地下穿越工程建设或地下空间利用开发影响巨大。因此，准确探明这类管线的地下空间位置需求迫切。


技术实现要素：

3.基于现有采用频域电磁法或其它常规手段进行金属管线或非金属管线探测时，存在的上述缺陷和不足；本发明所要解决的技术问题是提供一种通过检波器的位置信息，间接获得地下深埋管道孔空间位置信息的检测系统及检测方法，具有简单、快速、便捷的特点。
4.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统，包括可控震源、检波器阵列、观测孔以及多道地震仪；其中：
5.所述可控震源为人工震源或机械震源，用于对深埋管道激发弹性波信号；
6.所述检波器阵列由若干个用于接收弹性波信号的检波器串联构成；串联设置的若干个检波器以等距布设的方式安装于观测孔中，所述观测孔以垂直于地面的方式埋设于预估深埋管道远端旁侧2-5m的范围内；
7.所述多道地震仪分别与设置于观测孔中的各个检波器相连接，用于记录对应检波器所采集的弹性波信号。
8.上述方案中，所述人工震源或机械震源的激发频率为100-800hz，形成特定频率的弹性波信号沿深埋管道进行传播。
9.上述方案中，所述若干所述检波器之间的布设间距设置为0.2-1.0m，通过孔内灌注泥浆的方式与观测孔内壁相耦合。
10.上述方案中，所述观测孔的内径设置为75-100mm，观测孔的深度设置为预估深埋管道埋设深度的2-3倍。
11.本发明还提供了一种基于上述检测系统探测地下深埋管道空间位置信息的方法，包括如下步骤：
12.s1，确定合适的激发点，并利用人工震源或机械震源对深埋管道激发弹性波信号；
13.s2，在预估深埋管道远端旁侧2-5m范围内布置观测孔；
14.s3，在观测孔内放入等距设置的若干个检波器，并将若干个检波器分别与对应的地震仪相连接；
15.s4，采用孔内灌注泥浆的方式，将若干个检波器与观测孔内壁耦合；
16.s5，通过若干地震仪记录的弹性波信号，分析各个检波器接收弹性波信号的初至时间；其中：与最小初至时间t
min
相对应的检波器b的位置信息，即为：该检波器附近深埋管道的高度信息h；
17.s6，确定检波器b两侧接收弹性波信号初至时间分别为1.118t
min
的两个检波器位置信息；或确定检波器b一侧接收弹性波信号初至时间为1.414t
min
的检波器位置信息；
18.其中：检波器b两侧接收弹性波信号的初至时间分别为1.118t
min
的两个检波器之间的间距即为：深埋管道至观测孔的水平距离l；
19.或：检波器b与接收弹性波信号初至时间为1.414t
min
的检波器之间的间距即为：深埋管道至观测孔的水平距离l。
20.进一步地，步骤s1中，所述激发点设置于深埋管道附近的检查井中；或者若深埋管道四周无检查井，开挖深坑露出管道外壁进行直接激发。
21.进一步地，步骤s2、s3中，所述观测孔的埋设位置需要根据预估深埋管道的位置，进行反复调试确定，当设置于观测孔内的检波器未测到有效弹性波信号或无信号时，则向预估深埋管道方向进行偏移调试，每次偏移2-3m，直至将其调试至深埋管道旁侧2-5m的范围内。
22.进一步地，步骤s3中，检波器的数量为24个，相应的地震仪设置有24道，检波器的频率范围为10-2000hz。
23.本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
24.1、本发明所述用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统及方法，根据惠更斯原理，将埋设于不同深度范围的地下管道空间位置信息间接转化为用于接收弹性波信号的检波器位置信息，并将检波器的位置信息与检波器接收弹性波信号的初至时间相关联；其中，与弹性波(直达波)初至时间最小值(t
min
)对应的检波器b(即：离深埋管道距离最近的检波器)位置信息即为管道深度h(或管道的埋设深度)；在确定管道埋设深度的基础上，为了进一步明确管道埋设的空间方位(即：管道相对于观测孔的位置信息)，本发明基于一定的数学计算原理，将管道与观测孔之间的距离转化为初至时间最小值t
min
点两侧初至时间分别为1.118t
min
两个检波器之间的间距；或转化为初至时间最小值t
min
点至初至时间为1.414t
min
对应检波器之间的间距，继而精确地得到观测孔附近深埋管道的具体空间方位。
25.2、本发明所述的用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统及方法，适用于各种埋设深度的地下金属管道以及非金属管道的空间位置探测，且探测方法简单实用、探测结果精确可靠，对目标管道无损伤，可以有效克服现有常规探测手段存在的受地层介质的电阻率影响大或探测深度小的缺陷。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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。
27.图1为本发明实施例中，采用可控震源激发弹性波信号沿深埋管道进行传播的原理示意图。
28.图2为本发明实施例中，观测孔与深埋管道之间的位置关系布置示意图。
29.图3为本发明实施例所述一种用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统的结构示意图
30.图4为本发明实施例中，用于确定地下深埋管道空间位置信息的位置计算示意图。
31.图5为本发明实施例所提供的dn600深埋金属管道探测实施例。
32.图6为本发明实施例所提供的dn400深埋pe管道探测实施例。
33.标号说明：1、深埋管道；2、检波器；3、观测孔；4、地震仪；5、激发点。
具体实施方式
34.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
35.实施例1：如图1至3所示，一种用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统，包括可控震源、检波器阵列、观测孔3以及多道地震仪4；其中：
36.所述可控震源为人工震源或机械震源，用于对深埋管道1激发弹性波信号；
37.所述检波器阵列由若干个用于接收弹性波信号的检波器2串联构成，串联设置的若干个检波器以等距布设的方式安装于观测孔3中，所述观测孔3以垂直于地面的方式埋设于预估深埋管道远端旁侧2-5m的范围内；
38.所述多道地震仪4分别与设置于观测孔3中的各个检波器2相连接，用于记录对应检波器所采集的弹性波信号。
39.本实施例1所述的用于确定地下深埋管道空间位置信息的检测系统中，人工震源或机械震源的激发频率为100-800hz，形成特定频率的弹性波信号沿深埋管道1进行传播；所述若干所述检波器2之间布设间距为0.2-1.0m，通过孔内灌注泥浆的方式与观测孔3内壁相耦合；所述观测孔3的内径限定为75-100mm，观测孔3的深度设置为预估深埋管道1埋设深度的2-3倍。
40.实施例2：如图1至4所示，一种基于实施例1所述的检测系统探测地下深埋管道空间位置信息的方法，具体包括如下步骤：
41.如图1所示：s1，确定合适的激发点5，并利用人工震源或机械震源对深埋管道1激发弹性波信号；其中：所述激发点5设置于深埋管道1附近的检查井中；若深埋管道1四周无检查井，开挖深坑露出管道外壁进行直接激发；
42.如图2所示：s2，在预估深埋管道1远端旁侧2-5m范围内布置观测孔3；
43.如图3所示：s3，在观测孔3内放入等距设置的若干个检波器2，并将若干个检波器2分别与对应的地震仪4相连接；
44.s4，采用孔内灌注泥浆的方式，将若干个检波器2与观测孔内壁耦合；
45.如图4所示：s5，通过若干地震仪4记录的弹性波信号，分析各个检波器接收弹性波信号的初至时间；其中：与最小初至时间t
min
相对应的检波器b的位置信息，即为：该检波器附近深埋管道1的高度信息h；
46.s6，确定检波器b两侧接收弹性波信号初至时间分别为1.118t
min
的两个检波器位置信息；或确定检波器b一侧接收弹性波信号初至时间为1.414t
min
的检波器位置信息；
47.其中：检波器b两侧接收弹性波信号的初至时间分别为1.118t
min
的两个检波器之间的间距即为：深埋管道1至观测孔3的水平距离l；
48.或检波器b与接收弹性波信号初至时间为1.414t
min
的检波器之间的间距即为：深埋管道1至观测孔3的水平距离l。
49.本实施例2中，所述深埋管道1的空间位置信息包括深埋管道1的深度以及管道与观测孔3之间的水平距离l。
50.本发明实施例2所述探测地下深埋管道空间位置信息方法的具体原理如下：
51.一般金属管道纵波速度大于5000m/s、聚乙烯(pe)材质管道纵波速度在2000-2400m/s之间，而管道周围地层纵波速度一般在400-1000m/s之间，纵波速度差异明显。由于纵波沿管道速传播速度大于周围地层，根据惠更斯原理，在远离震源位置垂直管道的观测剖面上，管道相当于一个次级球面波的子波源，使观测剖面上子波源的直达波信号与远端震源产生的折射波、反射波、绕射波信号能有效分离，对直达波识别更容易。
52.如图4所示，在管道周围地层弹性波速度v均匀的条件下，弹性波(直达波)初至时间最小值(t
min
)对应检波器b的位置即为管道深度h；管道中心位于o点、t
z1
对应检波器位置为a点、t
min
对应检波器位置为b点、t
z2
对应检波器位置为c点、t
z3
对应检波器位置为d点，管道距观测孔的距离ob＝l，t
z1
对应检波器位置至t
z2
对应检波器位置距离为l1，t
min
对应检波器位置至t
z3
对应检波器位置距离为l2。为了使l＝l1或l＝l2，t
z1
、t
z2
、t
z3
计算公式如下：
53.ob＝l＝v*t
min
ꢀꢀ
式1
54.oa＝v*t
z1
ꢀꢀ
式2
55.oc＝v*t
z2
ꢀꢀ
式3
56.od＝v*t
z3
ꢀꢀ
式4
57.为了使l1＝l，令oac为等腰三角形，oa＝oc，ob
⊥
ac，根据式1、2、3可得：
58.t
z1
＝t
z2
＝1.118t
min
；
59.为了使l2＝l，令obd为等腰直角三角形，ob＝bd，ob
⊥
bd，根据式1、4可得：
60.t
z3
＝1.414t
min
；
61.综上，如图4所示，检波器b两侧，接收弹性波信号初至时间分别为1.118t
min
的检波器分别为检波器a、检波器c，检波器a、c之间的间距等于深埋管道1与观测孔3之间的直线距离l；通过确定检波器a、c的位置，即可得到深埋管道1与观测孔3的水平距离。
62.此外，检波器b一侧，接收弹性波信号初至时间为1.414t
min
的检波器为检波器d，检波器b与检波器d之间的间距等于深埋管道1与观测孔3之间的直线距离l，通过确定检波器b、d的位置，亦可得到深埋管道1与观测孔3的水平距离。
63.进一步地，本发明实施例2的步骤s2、s3中：观测孔3的埋设位置需要根据预估深埋管道的位置，进行反复调试确定；当设置于观测孔3内的检波器未测到有效弹性波信号或无信号时，则向预估深埋管道方向进行偏移调试，每次偏移2-3m，直至将其调试至深埋管道旁侧2-5m的范围内，该范围为最佳检测范围。
64.进一步地，步骤s3中，作为优选，检波器的数量为24个，相应的地震仪4设置有24道，检波器2的频率范围为10-2000hz，检波器2之间的间距设置可根据探测精度需求进行设
置。
65.以下本发明还提供了采用上述方法对地下深埋管道进行空间位置探测的工程应用实例：
66.如图5所示，dn600深埋金属管道探测实施例；观测孔3距激发点距离78m，检波器间距为0.5m；通过24道地震仪记录分析检波器接收弹性波信号的初至时间确定t
min
、1.118t
min
、1.414t
min
；实测t
min
＝7.5ms，对应管道中心深度为9.0m，管道距观测孔距离为3.5m。
67.如图6所示，dn400深埋pe管道探测实施例；观测孔距激发点距离36m，10次叠加激发，检波器间距为1.0m，通过24道地震仪记录分析检波器接收弹性波信号的初至时间确定t
min
、1.118t
min
、1.414t
min
；实测t
min
＝9.2ms，对应管道中心深度为10.7m，管道距观测孔距离为2.5m。
68.综上，本发明实施例1、实施例2所述的检测系统及方法可适用于对各种埋设深度的金属管道以及非金属管道进行地下空间位置的探测，该探测方法具有简单高效，检测结果精确可靠，且对目标管道无损伤的特点，可以有效克服现目前无法探测到更深范围内的深埋管道空间位置信息的不足，对于地下空间的开发利用具有重要的工程指导意义。
69.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。