2.2 地下金属管道电磁法探测技术
电磁法是探测地下管线的主要方法，是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下金属管线或解决其他地质问题的目的。
电磁法可分为频率域电磁法和时间域电磁法，前者是利用多种频率的谐变电磁场，后者是利用不同形式的周期性脉冲电磁场，由于这两种方法产生异常的原理均遵循电磁感应定律，故基础理论和工作方法基本相同。在目前地下管线探测中主要以频率域电磁法为主，以下主要介绍频率域电磁法。
2.2.1 电磁法探测技术工作原理
各种金属管道或电缆与其周围的介质在电导率、磁导率、介电常数有较明显的差异，这就为用电磁法探测地下管线提供了有利的地球物理勘探前提。由电磁学知识可知，无限长载流导体在其周围空间存在磁场，而且这磁场在一定空间范围内可被探测到，因此如果能使地下管线载有电流，并且把它理想化为一根无限长载流导线，便可以间接地测定地下管线的空间状态。在探查工作中，通过发射装置对金属管道或电缆施加一次交变场源，对其激发而产生感应电流，在其周围产生二次磁场。通过接收装置在地面测定二次磁场及其空间分布，然后根据这种磁场的分布特征来判断地下管线所在的位置（水平、垂直）。
2.2.2 电磁法探测仪器设备
1.基本原理
由电磁法探查地下管线的工作原理可知，只要探测到地下管线在地面上产生的电磁异常，便可得知地下管线的存在。要做好这一工作，探查人员除了要掌握一整套探查技术外，还必须有合适的工具——管线探测仪。目前市场上销售的各种型号管线仪，其结构设计、性能、操作、外形等虽各不相同，但工作原理相同，均是以电磁场理论为依据、电磁感应定律为理论基础设计而成的，它们都是由发射机与接收机组成的发收系统。
（1）发射机
发射机是由发射线圈及一套电子线路组成。其作用是向管线加某种频率的信号电流。电流施加可采用感应、直接、夹钳等方式。其中感应方式应用最为广泛。
根据电磁感应原理，在一个交变电磁场周围空间存在交变磁场，在交变磁场内如有一导体穿过，就会在导体内部产生感应电动势。如果导体能够形成回路，导体内便有电流产生（见图2-1），这一交变电流的大小与发射机内磁偶极子所产生的交变磁场（一次场）的强度、导体周围介质的导电性、导体的电阻率、导体与一次场源的距离有关。一次场越强，导体电阻率越小，导体与一次场源间距越近，则导体中的电流就越大，反之则越小。对一台具有某一功率的仪器来说，其一次场的强度是相对不变的，管线中产生的感应电流的大小主要取决于管线的导电性及场源（发射线圈）至管线的距离，其次还决定于周围介质的阻抗和管线仪的工作频率。
根据发射线圈面与地面之间所呈的状态，发射方式可分为水平发射和垂直发射两种：
1）水平发射。发射机直立，发射线圈面与地面呈垂直状态进行水平发射。当发射线圈位于骨线正上方时，它与地下管线耦合最强，有极大值。管线被感应产生一系列圆柱状交变磁场（见图2-2）。
图2-1 电磁法工作原理示意图
图2-2 水平发射示意图
2）垂直发射。发射机平卧（见图2-3），发射线圈面与地面呈水平状态进行垂直发射。当发射线圈位于管线正上方时，它与地下管线不耦合，即不激发。当发射线圈位于离管线正上方h（埋深）距离时，它与地下管线耦合最好，出现极值（见图2-4）。
（2）接收机
接收机是由接收线圈及一套相应的电子线路和信号指示器组成（见图2-5）。其作用是在管线上方探测发射机施加到管线上的特定频率的电流信号——电磁异常。
管线仪接收机从结构上可分为：单线圈结构、双线圈结构及多线圈组合结构（见图2-6）。单线圈结构又可分为单水平线圈结构及单垂直线圈结构。
1）单垂直线圈接收机。该接收机线圈主要接收管线所产生的磁场水平分量（见图2-7）。当线圈面与管线垂直并位于管线正上方时，仪器的响应信号最大，这不仅是因为线圈离管线近，线圈所在位置磁场强，还因为此时磁场方向与线圈平面垂直，通过线圈的磁通量最大（见图2-7中2）。当线圈位于管线正上方两侧时，仪器的响应信号会随着线圈远离管线而逐渐变小，这不仅是因为离管线远，线圈所在位置磁场变弱，还因为此时磁场方向与线圈平面不再垂直、使通过线圈的磁通量变小（见图2-7中1、3）。
图2-3 垂直发射示意图
图2-4 不同发射状态耦合系数M曲线示意图
图2-5 接收机测量原理框图
图2-6 接收机多线圈组合结构示意图
图2-7 单垂直线圈接收示意图
图2-8 单水平线圈接收示意图
2）单水平线圈接收机。该接收机线圈主要接收管线所产生的磁场垂直分量（见图2-8）。当线圈面与管线平行并位于管线正上方时，仪器的响应信号最小，这主要是因为磁场方向与线圈平面平行，通过线圈的磁通量最小（见图2-8中2）。当线圈位于管线正上方两侧位置时，仪器的响应信号会随着远离管线而逐渐增大，这是因为随着线圈远离管线，磁场方向与线圈平面不再平行，而成一定的角度，磁场垂直线圈平面的分量逐渐增大，从而使通过线圈的磁通量逐渐变大，同时随线圈远离磁场强度逐渐变弱，当这一因素成为影响通过线圈磁通量的主要因素时，仪器的响应信号就又会逐渐变小（见图2-8中1、3）。
3）双线圈结构接收机。该接收机内有上下两个互相平行的垂直线圈，在单根载流地下管线正上方，通过测定上下两线圈的感应电动势e1、e2（见图2-9），再运用深度计算公式
完成计算，获得深度值。通过显示器用数字或表头指示出来。
2.管线仪应具备的性能
《规程》4.4.2条明确规定，管线仪应具备以下性能：
1）对被探测的地下管线，能获得明显的异常信号；
2）有较强的抗干扰能力，能区分管线产生的信号或干扰信号；
3）满足本规程3.0.12条第1款所规定的精度要求，并对相邻管线有较强的分辨能力；
4）有足够大的发射功率（或磁矩），能满足探查深度的要求；
5）有多种发射频率可供选择，以满足不同探查条件的要求；
6）能观测多个异常参数；
7）性能稳定，重复性好；
8）结构坚固，密封良好，能在-10～45℃的气温条件下和潮湿的环境中正常工作；
9）仪器轻便，有良好的显示功能，操作简便。
3.管线仪性能检查方法
（1）接收机自检
对于具有自检功能的接收机，接通接收机，启动自检功能，若仪器通过自检，说明仪器电路无故障，功能正常。
图2-9 双线圈结构示意图
（2）最小、最大、最佳收发距检测
管线仪的最小、最大、最佳收发距常会影响探测工作的效率和效果，每台管线仪的使用者必须对其有所了解，具体检测方法如下：
1）最小收发距。在无地下管线及其他电磁干扰区域内，固定发射机位置，并将其功率调至最小工作状态，接收机沿发射机一定走向（由近至远）观测发射机一次场的影响范围，当接收机移至某一距离后开始不受发射场源影响时，该发射机与接收机之间的距离作为最小收发距。
2）最大收发距。将发射机置于无干扰的已知单根管线上，并将功率调至最大，接收机沿管线走向向远处追踪管线异常，当管线异常减小至无法分辨时，发射机与接收机之间的距离即为最大收发距。
3）最佳收发距。将发射机置于无干扰的已知单根管线上，接收机沿管线走向不同距离进行剖面观测，以管线异常幅度最大、宽度最窄的剖面至发射机之间的距离即为最佳收发距，不同发射功率及不同工作频率的最佳收发距亦不相同，需分别进行测试。
（3）重复性及精度检查
1）重复性。在不同时间内用同一台仪器对问题管线点的位置及深度值进行重复观测，视其各次观测值差异来判定该仪器的重复性。
2）精度。在已知管线区对某条管线采用不同的方法进行定位、测深，将现场观测值与已知值进行比较，其差值越小，精度就越高，在未知区，可通过开挖确定探查精度。
（4）稳定性检查
在无管线区将发射机分别置于不同的功率挡，固定频率，用接收机在同一测点反复观测每一功率挡的一次场变化，以确定信号的稳定性。改变频率，用同样的方法确定接收机各频率的稳定性。
2.2.3 探查方法
1.电磁法探测
交流电法探测是利用天然或人工产生的场源，产生的交变的电磁场对地下金属管线具有感应作用，从而激发二次电磁场，通过检测分析二次电磁场的分布特点，探测定位待测物体的位置和走向，根据其场源的不同可分为主动源法和被动源法。
（1）主动源法
主动源是指探测工作人员通过人工控制的场源——发射机，向待探测的金属管线发射足够强的某一频率信号，该信号在空间形成交变的电磁场，地下金属管线受交变电磁场激发产生感应电流，而感应电流在金属管线周围又产生二次电磁场，通过探测仪接收二次电磁场信号，就可以探测地下金属管线。根据给待测金属管线施加某一频率信号的方式不同，主动源法又可分为感应法、夹钳法、直接法和电磁波法（地质雷达法）等。
图2-10 感应法探测示意图
图2-11 夹钳法探测示意图
1）感应法：感应法有电偶极感应法和磁偶极感应法之分，这两种感应法都是利用发射机在地面上建立一个交变电磁场，如果地下存在金属管线，金属管线里的自由电荷受交变电磁场的激发，产生感应电流，感应电流沿着金属管线流动，产生二次磁场，在地面上我们用接收机检测二次电磁场的分布强度，就可以对地下金属管线进行定位和测深，如图2-10所示。
2）夹钳法：夹钳法是利用发射机自带的配件——夹钳，也就是一个环形磁心，探测时用夹钳把管线夹在中间，发射机选择耦合模式，环形磁心的一次绕组就有电流信号流过，电流使磁环产生磁场，这个磁场耦合到金属管线上，就在金属管线方向上产生感应电动势，从而在金属管线中就产生感生电流，如图2-11所示。此法探测时必须有管线出露点，且被测管线的直径受夹钳大小的限制，但感应信号强，定位，定深精度高。适用于小直径管线或电信类电缆管线探测，在对多条电缆进行逐条分辨时，这种方法探测效果最佳，有着明显的优点。
3）直接法：日常生活中，常见一些金属管线裸露在地表，如水龙头、电力变电箱、消防栓等。直接法就是利用发射机专有输出电缆的一端与待测金属管线相连，另一端接金属管线的一端或者接地。这时金属管线上就有电流通过，电流在其周围将产生交变电磁场，利用接收机搜索被探测金属管线产生的电磁信号，对管线进行追踪定位。
直接法能使接收机收到较强的电磁信号，对金属管线定位、定深精度比较高，但金属管线必须有露点。
4）地质雷达法：地质雷达法是利用雷达系统连续向地下发射高频电磁波，当高频电磁波在地下遇到金属管线时，会产生一个反射信号，接收天线连续接收反射信号，接收到的反射信号经过处理，在显示器上显示出来。根据显示器上有无反射信号就可以判断有无金属管线，在测量深度时，根据反射信号到达接收机的时间和反射波速，就可以计算出金属管线的深度。
此方法探测精度高，但要求操作人员必须具备专业知识。目前由于地质雷达设备过于昂贵，要求操作人员的素质较高，一般是专业探测队伍装备的设备，所以极少用于地下管线探测工作中。
（2）被动源法
被动源法是利用工频50Hz信号及空间存在的电磁信号，对物体进行探测，并不需要人工建立场源。对地下金属管线探测来说，是一种比较简便的方法，它只需操作接收机便可接收到有用信号。被动源法除了对载流50Hz电缆探测定位外，对于其他金属管线不能精确定位，这是因为被动源极易受外界干扰，不稳定。根据信号来源不同，被动源法可以分为工频法和甚低频法两种：
1）工频法：利用日常生活中50Hz交流电信号，对地下金属管线产生感应电流，通过接收机探测感应电流产生的二次场强度分布，对金属管线进行定位。
对于探测动力电缆和搜索金属管线，此方法简便、成本低，但分辨率不高，干扰性极大，是一种快速定位的初查方法。
2）甚低频法：甚低频法是甚低频电磁法的简称，它是利用无线电信号，在金属管线中产生感应电流，这些感应电流又在金属管线周围形成电磁场，探测仪通过对金属管线周围的磁场强度检测，来对金属管线进行定位。
甚低频法是将电台发射的电磁波作为发射源，利用电磁波一次场在传播过程中遇到导体或磁性感应体时，将在导体上产生感应电动势，进而产生感应电流，从而引起感应二次场。能否在金属管线周围产生二次场，取决于电磁波前进方向和地下金属管线走向是否一致，若一致，金属管线将产生感应电流和相应的二次场，若不一致，则不能激发金属管线形成二次场。
该法感应二次场的强度不仅与电台的远近有关，还和管线的方位有关，因此对于长距离地下金属管线可以采用此方法进行探测定位。使用此方法简便、无需发射源、成本低，但准确度不高、干扰较大。
2.直流电法探测
顾名思义，直流电法就是用直流电源给待测的地下金属管线加直流电，使直流电源与地下金属管线构成回路，这样地下金属管线上就有电流流过，在地下形成一个电流密度分布空间，对于具有良好导电性的金属管线来说，电流密度分布会产生异常，通过在地面上观察电流密度分布的特点，从而发现金属管线的位置。直流电法是利用了金属管线与其周围介质存在导电性差异，进而判断出金属管线的位置。常用的直流电法有充电法、电阻率法、自然电场法三种。
（1）充电法
充电法是通过测量金属管线上产生的电场分布，来追踪定位管线，确定其分布状况。利用直流电源一端接金属管线的一端，另一端接地，这样在金属管线上有电流流过，电流在其周围产生电场，测量电场分布，就可以定位管线的位置。
此法测量要求金属管线必须有出露点，并且地面具备接收条件，使用充电法探测仪器探测，具有较好的探测精度，探测深度大，效果比较好。
（2）电阻率法
利用目标体与围岩电阻率的差异探测目标体的分布状况。对于探测较大规模的金属管线，此法具有明显的优势，探测精度较高。只是在使用电阻率法探测仪器探测时，供电极和测量极都需要接地。
（3）自然电场法
自然电场法是利用周围介质与金属管线之间发生氧化还原作用产生的自然电场，通过使用自然电场法探测仪器，检测这种自然电场，进而判别金属管线，这种测量法对于防腐性能较好的管线，探测效果极差，不利于探测，唯一的好处就是工作时，不需向地下供电，比较经济。
3.接收探测
无论是直接法、感应法或者是其他电磁感应法，其目的是对地下管线进行精确的平面定位和深度定位。常用的平面定位方法有极大值法和极小值法；深度定位的方法有特征点法、直读法和45°法，下面分别予以介绍。
（1）地下管线的平面定位方法
用管线仪定位时、可采用极大值法或极小值法。极大值法，即用管线仪两垂直线圈测定水平分量之差ΔHx的极大值位置定位；当管线仪不能观测ΔHx时，宜采用水平分量Hx极大值位置定位。极小值法，即采用水平线圈测定垂直分量HZ的极小值位置定位。两种方法宜综合应用、对比分析来确定管线平面位置。
1）极大值法。当接收机的接收线圈平面与地面呈垂直状态时，线圈在管线上方沿垂直管线方向平行移动，接收机表头会发生偏转，当线圈处于管线正上方时，接收机测得电磁场水平分量Hx或接收机上、下两垂直线圈水平分量之差ΔHx为极大值，如图2-12a、b所示。
图2-12 电磁法管线定位示意图
2）极小值法。当接收机的接收线圈平面与地面呈平行状态时，线圈在管线上方沿垂直管线方向平行移动时，接收机表头同样会发生偏转。当线圈位于管线正上方时，表头指针偏转最小（理想值为零），如图2-12c所示。因此可根据接收机中Hz最小读数点位来确定被探查的地下管线在地面的投影位置。Hz异常易受来自地面或附近管线电磁场干扰，故用极小值法定位时应与其他方法配合使用，当被探管线附近没有旁侧管线及主动源导线的干扰时，用此法定位还是比较准的。
（2）地下管线的深度定位方法
用管线仪定深的方法较多，主要有特征点法（ΔHx百分比法，Hx特征点法）、直读法及45°法，如图2-13所示。探查过程中，宜由多种方法综合应用，同时针对不同情况先进行方法试验，选择合适的定深方法。
图2-13 管线定深示意图
1）特征点法。利用垂直管线走向的剖面，测得的管线异常曲线峰值两侧某一百分比值处两点之间的距离与管线埋深之间的关系，来确定地下管线埋深的方法称其为特征点法。对不同型号的仪器、不同的地区，可选用不同的特征点法。
①ΔHx百分比法。ΔHx百分比与管线埋深具有一定的对应关系，利用管线ΔHx异常曲线上某一百分比处两点之间的距离与管线埋深之间的关系即可得出管线的埋深。有的仪器由于电路处理，使之实测异常曲线与理论异常曲线有一定差别，可采用固定ΔHx百分比法（如ΔHx70%法）（见图2-13a）定深。
②Hx特征点法。
a.80%法：管线Hx异常曲线在峰值两侧80%极大值处两点之间的距离即为管线的埋深（见图2-13b）。
b.50%法（半极值法）：管线Hx异常曲线在峰值50%极大值处两点之间的距离，为管线埋深的两倍（见图2-13b）。
2）直读法。有些管线仪利用上下两个线圈测量电磁场的梯度，而电磁场梯度与埋深有关，所以可以在接收机中设置按钮，用指针表头或数字式表头直接读出地下管线的埋深。这种方法简便，但由于管线周围介质的电性不同，可能影响直读埋深的数据，因此应在不同地段、不同已知管线上方，通过该方法试验，确定定深修正系数，进行深度校正，定深时应保持接收天线垂直，提高定深的精确度。
3）45°法。先用极小值法精确定位，然后将接收机线圈与地面成45°状态沿垂直管线方向移动，寻找“零值”点，该点与定位点之间的距离等于地下管线的中心埋深（见图2-13c）。使用此法定深时，接收机中必须具备能使接收线圈与地面成45°角的扭动结构，若无此装置，不宜采用。线圈与地面是否成45°角及距离量测精度会直接影响埋深精度。
除了上述定深方法外，还有许多方法。方法的选用可根据仪器类型及方法试验结果确定。为保证定深精度，定深点的平面位置必须精确；在定深点前后各3～4倍管线中心埋深范围内应是单一的直管线，中间不应有分支或弯曲，且相邻平行管线之间不要太近。