一种用于地下管线探测的声频振动法及装置的制作方法

本发明涉及岩土工程检测与测试领域，具体涉及一种用于地下管线探测的声频振动法及装置。

背景技术：

1、地下管线作为城市重要基础设施，对城市正常运营意义重大，维系着城市公共安全。由于部分管线修建年代久远，普遍存在图纸资料缺失或图纸管位与实际位置不符等问题，常发生因管线位置不明挖断管线，造成停水、停电、通讯中断等事故。为了避免类似状况发生，查明地下管线的位置、走向、埋深已成为维护和施工工作的一项重要前提。随着城市建设频率加快，管线建设日趋复杂，由此产生的矛盾日趋增多，对于地下管线的精准探测越发迫切。

2、由于城市建筑和公共设施制约了探测工作的进行，同时工业生产、公共交通和居民生活对探测工作产生很强的干扰，一些在城市之外行之有效的地球物理探测方法，在城市地下管线探测的工作中面临着很大挑战。例如，地面直流电法现场布置及电极耦合较麻烦，对现场条件要求高；地面瞬变电磁法对良导体反应灵敏，易受电磁干扰影响，纵向分辨率与定深精度较低。因此如何在不破坏场地条件的前提下，提高地下管线探测技术的抗干扰能力和分辨率具有重要意义。

3、采用地震波法的无损探测技术，基于目标管线与地下介质的弹性波波速及波阻抗差异，可实现地下管线的探测。传统的地震波法通常采用炸药震源用于地震波法的激发，其优势在于激发能量足够强，可以确保地震波的传播距离达到目标勘探深度。但炸药震源并不适用于城市地下管线的探测，一方面炸药震源极不安全，无法在城市环境中激发；另一方面，震源信号不可控，随机性大、离散性大。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种用于地下管线探测的声频振动法及装置，基于可控震源技术，将产生的信号累加起来，等效成类似炸药震源的大冲击信号。能够在不破坏场地条件的前提下，人为控制激发地震波信号，同时基于多次叠加集中能量，克服城市噪音对于探测结果干扰，高效、精确、安全地实现了对城市地下管线的定位，是适用于城市地下管线探测高分辨率要求的可控震源，可以为进一步的维护和施工工作提供指导和参考，具有信号可控、安全环保、效率高、成本低的特点。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于地下管线探测的声频振动法，包括以下步骤：

4、1)工作前，对震源信号波形、时间、频带、相位、幅度等进行设置；

5、2)将激振装置需布设于待测管线露头处，通过击震器或人工锤击对露头处激振；

6、3)产生的地震波信号通过管壁或管道内流体并向远端传播，该信号为激振器激发的非脉冲式线性扫描信号、非线性扫描信号或人工锤击的脉冲信号，最终被布设在地面上的传感器接收；

7、4)通过对采集的地震数据进行处理，得到将长时间激振积累能量的地震数据压缩为脉冲形式的地震数据，形成地震剖面：

8、所述数据处理算法的公式为：r(τ)＝(1/t)∫[f(t)g(t+τ)]dt，积分限为0至t；(其中f(t)与g(t+τ)函数进行卷积运算，两个函数滑动相乘，反映的是两个函数在不同的相对位置上互相匹配的程度。

9、5)由地震剖面中判断识别管线平面位置；

10、6)根据露头点和探测已知点确定管线的延伸方向，然后将测线沿管线走向移动，将测线垂直或斜交于地下管线布置；

11、7).重复步骤1)-步骤5)，最终得到目标管线的精确走向。

12、本方案中，可控震源是通过长时间的积累来换取瞬间的大冲击能量，它的特点是其激发波形持续时间很长，远大于地下各层面间的反射时差，但其发射波形可以人为控制，是一个固定的时间函数。当震源装置向地下发射一个长时间的振动信号，该信号可以为线性扫描信号或非线性扫描信号，扫描信号为正弦函数，该正弦函数的频率随时间而变化，称为扫描信号或扫频信号；非扫描信号有变频扫描、编码扫描、伪随机序列扫描，在管线探测定位中，激振线性扫描信号振幅相对较为稳定、使用便捷、效果明显。

13、通过击震器对准管线露头位置进行同步连续激振，可采用上述不同的输入信号模式激振，使产生的地震波信号通过管壁或管道内流体并向远端传播，最终被布设在地面上的传感器接收。

14、扫描信号激振力大小与可控震源仪器输出电流有关，可由功率放大器进行控制，现场检测时，输出电流从小逐渐增大；激振力大最小值为检波器能够接收到激振信号。

15、激振装置需布设于待测管线露头处，通过击震器对露头处激振，产生地震波信号，同时通过人工锤击的方式亦可完成对管道的激振，但人工锤击方法力度难以保证，易造成管线破损，通过击震器激振能够控制激振力度，保证管线的安全。

16、进一步的，上述一种用于地下管线探测的声频振动法，所述步骤3)中被传感器接收的信号为线性扫描信号，

17、其数学公式为：w(t)＝a(t)sin2π(fl±(fu+fl)t/2t)t，式中，a(t)为扫频信号w(t)的振幅函数，f1为开始频率，fu为终止频率，t为扫描周期长度，即持续振动时间，式中若取正号，称为升频扫描，反之则成为降频扫描。

18、进一步的，上述一种用于地下管线探测的声频振动法，扫描信号扫频时间范围为6s-300s，扫描信号扫频范围为1hz-500hz，扫频方式可以是升频、降频、升频后降频、降频后升频，扫频时间需要为周期的整数倍，即时间t＝nt，t为扫描周期长度。

19、进一步的，上述一种用于地下管线探测的声频振动法，采用声频振动法探测地下管线前需选择合适的激振频率范围和激振时间，扫频信号可以为线性升频或线性降频，扫频信号的时间控制线性升频或线性降频变化速度，扫频时间越长可以获取长时间激振信号，采集积累的激振的能量更强。如图1和图2所示，分别为可控震源频率范围10hz～50hz的线性升频扫频信号和线性降频信号，图3为可控震源频率范围10hz～100hz的线性升频扫频信号。

20、进一步的，一种用于地下管线探测的激振装置，包括螺栓、弹簧片、伸缩轴、底座、击震器、磁极板、动圈、输入端口；

21、所述磁极板为底部开口的圆柱形，所述磁极板外有外壳，所述外壳的两侧安装在所述底座上；所述磁极板由内芯n磁极和外圈s磁极构成，内芯n磁极和外圈s磁极之间有空隙；所述磁极板的纵截面为开口向下的e字形；所述磁极板的内芯n磁极开设有轴向贯通的孔，孔中设置有伸缩轴；所述伸缩轴的底部设置有所述击震器；所述磁极板的上下端均设置有所述弹簧片；所述弹簧片一端通过螺栓固定于磁极板上，另一端通过一号固定件固定于伸缩轴上；动圈上部缠绕在所述内芯n磁极上，动圈下部通过二号固定件固定于伸缩轴上，并通过电缆与输入端口相接。

22、进一步的，上述一种用于地下管线探测的激振装置，所述一号固定件的连接形式为螺栓或者焊接；所述动圈下部的二号固定件的连接形式为卡座或者焊接。

23、进一步的，上述一种用于地下管线探测的激振装置，述弹簧片的形状选自8字形、圆形、方形中的一种；所述伸缩轴的长度可选，通过控制伸缩轴的长度适用于不同深度的管线探测。

24、进一步的，上述一种用于地下管线探测的激振装置的工作方法，装置工作时，需接通输入端口，并向其提供可变频率电流；基于电磁感应定律，通电后，动圈周围产生对应的交变磁场，在此磁场与磁极板的恒定磁场的相互作用下，促使动圈带动击震器、伸缩轴按已知信号的频率、幅度沿着伸缩轴方向上下振动；磁极板、底座等其他部件固定不动，并通过弹簧片的支撑和缓冲作用保证了装置内部部件的稳定性，通过将底座的配重保证了装置整体与管线的紧密耦合。

25、进一步的，使用上述激振装置进行地下管线探测的方法，包括以下步骤：

26、s1.采用声频振动法探测管线前，先将激振装置、功率放大器及扫描信号控制器组装好，同时将连接有检波器的电缆垂直于管线延伸方向布置，测线布置位置距离激振点约30m，测线长度为10m-30m；

27、s2.在扫描信号控制器中输入线性扫描信号，设置扫描时间为60s，频率范围为1hz至100hz的升频信号或先1hz至100hz升频，后100hz至1hz降频，功率放大器中控制输出功率，并现场测试，确保输出信号正常工作；

28、s3.将激振装置紧贴地下管线的露头处，通常露头位置位于窨井或者地上架空管线，通过功率放大器控制激振装置的振动力度，由小到大逐渐增加，使产生的地震波信号通过管壁或管道内流体并向远端传播，最终被布设在地面上的传感器接收到相对明显的振动信号；

29、s4.启动地震仪器，采集激振装置60s内完整周期振动的数据；

30、s5.抽取距离激振装置最近的检波器作为激振振动参考道数据，将其与采集的地震数据进行处理；

31、处理算法：通过将参考道与采集的数据进行卷积运算，两个函数滑动相乘，计算公式r(τ)＝(1/t)∫[f(t)g(t+τ)]dt，积分限为0至t最终得到处理后的地震剖面。

32、通过对采集的地震数据进行上述处理，得到将长时间激振积累能量的地震数据压缩为脉冲形式的地震数据，得到处理后的地震剖面；

33、s6.根据处理后的地震剖面中弧形绕射顶点位置判断管线的平面位置；

34、s7.根据露头点和探测已知点确定管线的延伸方向，然后将测线沿管线走向移动10m-20m，将测线垂直或斜交于地下管线布置；

35、s8.重复步骤s1-s6，最终得到目标管线的精确走向。

36、通过对采集的地震数据进行处理，得到将长时间激振积累能量的地震数据压缩为脉冲形式的地震数据，形成的声频振动法可满足实际工程应用需求。由地震剖面中识别管线平面位置的特征：地震剖面呈弧形绕射，绕射波顶点对应管线的中心位置，绕射波呈强振幅反射，常伴有多次反射。

37、图4为采用可控震源线性扫描激振后的地震剖面，连续激振时间超10s，其中波形图不能明显识别探测管线位置，通过对采集数据进行处理，得到可明显分辨管线位置的地震剖面成果图，其中管线位置存在明显的绕射反应，如图5所示。

38、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

39、①激发信号已知，振动频率和幅度可人为调节；②通过多次叠加，累积能量，提高了信噪比，克服了城市噪音的干扰；③方便快捷，工作效率高，成本低；④操作安全可靠，满足了城市地下管线探测对于激发震源的需求。

40、同时本发明提供的探测技术不仅能够探测常规的金属管线，对于非金属管线，无论管线两端是否有开孔，也能够准确探测，解决了陀螺仪、导向仪需要管线一端或两端有开孔才能探测管线位置的技术难题；探地雷达探测非金属管线深度有限，探测深度通常小于2m，高密度电阻率法探测非金属管线需要开阔的场地空间及接地良好，难以满足城市管线探测需求，本技术探测管线深度可达近10m，有效解决了大埋深非金属地下管线无损探测的行业难题，具有高效、无损、探测深度大、适用范围广等优点。