地質(zhì)雷達在復(fù)雜公路探測熱力管線的研究及應(yīng)用

王佳，繆愛偉

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

地質(zhì)雷達在復(fù)雜公路探測熱力管線的研究及應(yīng)用

王佳?，繆愛偉

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

基于地質(zhì)雷達探測原理，論證地質(zhì)雷達用于復(fù)雜公路管線探測的可行性。針對北京望京地區(qū)復(fù)雜公路，采用SIR-20型地質(zhì)雷達對施工面地質(zhì)情況、管線平面位置和埋深進行實測，探測結(jié)果表明:相對介電常數(shù)較大的目標(biāo)體吸收周圍介質(zhì)的電磁波信號；最大反射雷達波強度出現(xiàn)在管線頂部；底部產(chǎn)生的雷達波圖像中“弧形”寬度大于頂部?；谝陨涎芯?，提出針對復(fù)雜公路管線探測的設(shè)計方案及事故處理措施，同時結(jié)合現(xiàn)場制定地質(zhì)雷達測試熱力管線方案。研究結(jié)果驗證了利用地質(zhì)雷達探測熱力管線的可行性，為后續(xù)安全動態(tài)施工設(shè)計提供了依據(jù)，也為地質(zhì)雷達在復(fù)雜公路管線探測方面積累一定的經(jīng)驗。

復(fù)雜公路；地質(zhì)雷達；熱力管線；雷達波

1 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷地提高，越來越多的人開始涌向城市或組建新社區(qū)，這使得對于城市建設(shè)的有效利用率要求更高，與地下管線的疏通和鋪設(shè)相配套的工程技術(shù)也在逐漸提高。從而，對于在不進行大開挖的情況下，探明各種管線的位置、走向、埋深成為當(dāng)前研究的重要課題。眾所周知，傳統(tǒng)的管線探測技術(shù)大多應(yīng)用于金屬質(zhì)管線的探測，對混凝土管、塑料管等測試結(jié)果與實際不符，存在一定的局限性。近些年來，GSSI地質(zhì)雷達技術(shù)(Ground Penetrating Radar)開始應(yīng)用于城市地下管線的探測[1]。GPR探測技術(shù)因其應(yīng)用范圍廣、易于操作、屬無損探測等特點等到了業(yè)界工程技術(shù)人員的認(rèn)可，同時其準(zhǔn)確的探測結(jié)果也為后續(xù)的工程進度安排、安全性管理提供了理論依據(jù)。

2 地質(zhì)雷達探測原理及探測熱力管線的可行性

2.1 地質(zhì)雷達探測原理[2，3]

地質(zhì)雷達(GPR)是基于地下介質(zhì)的電性差異，利用超高頻窄脈沖電磁波進行探測、處理、分析所探測物體內(nèi)部不可見目標(biāo)體或介質(zhì)分界面的一種工程物探技術(shù)。其主要由發(fā)射天線往地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，當(dāng)遇到存在電性差異的目標(biāo)體(空洞、斷層裂隙、管道等)的電性介面時，就有部分電磁能量被反射折向地面，被接收天線接收。地質(zhì)雷達接收到的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送到計算機，經(jīng)過濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達探測圖像。通過分析這些攜有地下介質(zhì)電性特征信息的電磁波，即可推斷地下介質(zhì)的層位、結(jié)構(gòu)和空間分布特征，探測原理如圖1所示。通過同相軸追蹤可以測定電磁波從發(fā)射到接受的時間間隔T。根據(jù)地下介質(zhì)的電磁波傳播速度V和時間間隔T，計算公式如下:

式中:H為探測目標(biāo)體與接觸面間的距離(m)；x為發(fā)射天線和接收天線間距(m)；V為介質(zhì)中的電磁波速度(m/s)。

圖1 地質(zhì)雷達探測原理示意圖

地質(zhì)雷達的工作前提是探測對象與周圍介質(zhì)間存在著明顯的電性差異，雷達波在介質(zhì)中的傳播速度V與介質(zhì)的相應(yīng)的電磁性參數(shù)有如(2)式的關(guān)系:

式中:V為介質(zhì)中的電磁波速度；c為真空中的光速(m/ns)；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)[4](見表1)。

與圍巖相關(guān)的介質(zhì)物理參數(shù)表 表1

實際上，電磁波是由于介質(zhì)界面兩側(cè)的介電常數(shù)存在差異而產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，反射信號的強弱取決于差異的大小。

2.2 地質(zhì)雷達探測熱力管線的可行性

進行復(fù)雜公路熱力管線的探測時，路面上覆堅硬巖土層屬于高阻抗體，雷達電磁波在發(fā)射至目標(biāo)體的過程中，遇到不同波阻抗界面都將產(chǎn)生反射波和折射波，而反射系數(shù)R是決定反射波能量的大小的關(guān)鍵因素，反射系數(shù)R與介質(zhì)的εr存在如下關(guān)系[5]:

式中:εr1和εr2分別為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由式(3)可知，反射系數(shù)的大小主要取決于反射界面兩側(cè)介質(zhì)介電常數(shù)的差異程度，差異程度越大反射系數(shù)越大，電磁波的反射越強烈，介質(zhì)間界面越易于分辨。一般目的體的功率反射系數(shù)應(yīng)不小于0.01。

由于所探測熱力管線處于路面下，管線上不是不同材料鋪設(shè)的路面層，分界面必存在裂隙，且其中充滿空氣或水等雜質(zhì)，顯然，無論圍巖裂隙內(nèi)填充物是空氣還是水，與管線的相對介電常數(shù)相比都較小，雷達發(fā)射的電磁波經(jīng)過分界面時必然發(fā)生強烈反射，且在其中呈現(xiàn)一定的規(guī)律的傳播，有明顯同相軸，于是從收集處理的雷達探測剖面圖上即可確定管線埋設(shè)位置及深度，因此地質(zhì)雷達探測復(fù)雜公路下熱力管線在理論上是切實可行的。

3 管線的地質(zhì)雷達波特征[6～10]

與其特殊地質(zhì)體的反射波呈現(xiàn)得同相軸不連續(xù)、波形雜亂不同，地下管線的反射波同相軸呈向上凸起的弧形，頂部反射振幅最強，弧形兩端反射振幅最弱，不同的材質(zhì)的管線的反射波特征不同。管內(nèi)是否充水，其波形特征亦不同，若充水，則亦出現(xiàn)波形的極性反轉(zhuǎn)，管線的半徑越大，反射弧的曲率半徑就越大。

3.1 金屬質(zhì)管線雷達波特征

地層的電性參數(shù)大多較小，而金屬管線的介電常數(shù)大，電導(dǎo)率極強，衰減同樣很大，金屬管頂反射出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，管線頂部反射信號較強，但管底的反射信息不存在(如圖2所示)。根據(jù)實際探測數(shù)據(jù)表明，金屬管線的雷達波圖像中“弧形”的寬度與管線直徑成正比例關(guān)系。

圖2 相距較近的三條金屬管線雷達波圖像

3.2 非金屬質(zhì)管線雷達波特征

非金屬質(zhì)管線大部分為混凝土管、陶瓷管、PVC塑料管等。采用非金屬管的地段道路下地層一般含有水，在這樣的地質(zhì)條件下，非金屬管線同樣會產(chǎn)生極強的反射。但與金屬質(zhì)管線相比，其相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率和衰減較小，所以反射信號較弱，雷達波圖像中“弧形”寬度也較窄；但管線頂部無極性反轉(zhuǎn)，管底也會反饋信息，如圖3所示。

圖3 非金屬管線與金屬管線雷達波圖像對比

4 地質(zhì)雷達探測復(fù)雜公路實例分析

4.1 公路工程概況

本文以北京朝陽區(qū)望京段城區(qū)主干道為研究對象，根據(jù)公路使用任務(wù)、功能和當(dāng)前交通量，此公路為6車道的二級公路，因此交通量大，車次通過頻率較高；同時需探測的路段旁正在進行道路施工，有隔板遮擋，道路結(jié)構(gòu)層為路面瀝青、灰石路基、灰土層等，且施工路面鋪設(shè)厚重鐵板。探測公路的復(fù)雜性使得工作開展較難，探測距離較短，路面的鐵板同樣對電磁波產(chǎn)生了干擾，因此對技術(shù)要求較高。

4.2 探測儀器與探測方案布置

(1)探測儀器

根據(jù)工程的場地情況，采用美國GSSI地質(zhì)雷達(SIR-20型)進行探測，其主要工作技術(shù)參數(shù)選為: 100 Hz屏蔽天線，天線間距離0.5 m，記錄時間為500 ns，疊加次數(shù)為1次，采樣率1 600 ps。

(2)復(fù)雜公路探測方案布置[9]

當(dāng)前公路施工主要在探測路段的一側(cè)，路中央有柵欄遮擋，為不影響施工，以6車道中偏離施工段5道為地質(zhì)雷達布置路線，由東向西依次布置5個待測斷面進行按序測試，測試按車通行方向:先是由南到北，柵欄另一側(cè)采用相反方向；而后為確保探測的準(zhǔn)確性，東西避開鐵板進行2個斷面測試。

4.3 探測結(jié)果及分析

采用SIR-20對方案待測斷面進行連續(xù)采集，并采用美國GSSI研制的RADAN6600對所采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編輯、振幅增減、數(shù)字濾波、偏移處理等一系列旨在突出有效目標(biāo)的處理，最終輸出地質(zhì)雷達時間剖面圖，由于中間1～4帶側(cè)面對稱，2、3、5斷面處有鐵板干擾，故而選取1探測剖面圖為研究分析對象，如圖4、圖5所示。

圖4 測試斷面1下管線地質(zhì)雷達波圖像

圖5 測試斷面1相應(yīng)雷達記錄頻譜圖

通過圖4所反映出來的信息可知，雷達波圖像中有兩道明顯的電磁波，且頂部反射雷達波信號比管底強，白色表示雷達波反射信號強，；同時，依據(jù)上述研究結(jié)果對照得出此復(fù)雜公路下熱力管為非金屬質(zhì)管線，管線走向為東西向。將探測數(shù)據(jù)和介質(zhì)物理參數(shù)代入式(1)和式(2)中得出:管線埋深為1.76 m；現(xiàn)場開挖后，對斷面1處熱力管線到公路面間的距離進行測量，測得結(jié)果為1.82 m。兩種結(jié)果基本吻合，證明了地質(zhì)雷達探測結(jié)果的可靠性。

5 結(jié) 語

上述理論研究與實例結(jié)果對比可以得出以下幾點結(jié)論[11]:

(1)獲取的地質(zhì)雷達掃描圖的圖像質(zhì)量與其探測深度成正相關(guān)，因此，當(dāng)變化時需要對地質(zhì)雷達反射波進行數(shù)字濾波、調(diào)整增益系數(shù)等處理措施后才能得到滿意的結(jié)果。

(2)與普通場地下熱力管線相比，復(fù)雜公路下管線的埋設(shè)根據(jù)受干擾程度大小成傾斜狀；最大反射雷達波強度出現(xiàn)在管線頂部；底部產(chǎn)生的雷達波圖像中“弧形”厚度大于頂部。

(3)相對介電常數(shù)大的目標(biāo)體吸收相對較小的介質(zhì)的電磁波信號。

(4)公路現(xiàn)場復(fù)雜的地質(zhì)條件，導(dǎo)致了雷達探測結(jié)果與實際情況存在一定誤差，為了保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量采用有效可行的操作方法。

[1] 李大心.探地雷達方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1994.

[2] JOL H M.Ground penetrating radar:theory and applications [M].Oxford，UK，2009:150～444.

[3] 楊峰，彭蘇萍.地質(zhì)雷達探測原理與方法研究[M].北京:科學(xué)出版社，2010:181～190.

[4] 劉四新，佐藤源之.井中雷達的數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報·地球科學(xué)版，2003，33(4):545～550.

[5] 倪章勇，李海.地質(zhì)雷達解釋隧道襯砌空洞大小的定量研究[J].鐵道勘察，2010，36(1):59～61.

[6] Teixeira FL，Chew W C，Straka M，et al.Finite-difference time-domain simulation of Ground Penetrating Radar on dispersive，inhomogeneous，and conductive soils[A].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1998，36 (6):1928～1937.

[7] 吳俊，毛海和，應(yīng)松等.地質(zhì)雷達在公路隧道短期地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2003，24(S1):154～157.

[8] 王明德.地質(zhì)雷達在管線探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2009，6(S1):65～68.

[9] 劉四新，曾昭發(fā).頻散介質(zhì)中地質(zhì)雷達波傳播的數(shù)值模擬[J].地球物理學(xué)報，2007，50(1):320～326.

[10] 方建立，應(yīng)松，賈進.地質(zhì)雷達在公路隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].2005，6.

[11] 楊艷青，賀少輝，齊法琳等.鐵路隧道復(fù)合式襯砌地質(zhì)雷達檢測模擬試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2012，34(6): 1159～1165.

寧波市測繪設(shè)計研究院科技成果獲國家測繪科技進步一等獎

(本刊訊)日前，中國測繪學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎勵委員會公布2013年測繪科學(xué)技術(shù)獎勵決定，寧波市測繪設(shè)計研究院與武漢大學(xué)聯(lián)合課題組完成的“車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)”項目榮獲中國測繪學(xué)會測繪科技進步一等獎。全國測繪科技進步獎主要獎勵在我國測繪科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新與開發(fā)及科技成果推廣應(yīng)用等方面作出突出貢獻的項目、單位及個人，此次獲獎是寧波市測繪設(shè)計研究院“十五”以來獲得此獎項的第十三次，而且是等級最高的一次。

“車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)”又稱“地理信息采集車”，該系統(tǒng)集成了GPS接收機、激光掃描儀、慣性導(dǎo)航裝置、全景相機、里程計等傳感器，開發(fā)了點云處理等專業(yè)軟件，構(gòu)成了車載三維移動測量系統(tǒng)。車輛在行駛中，通過激光掃描和數(shù)碼照相的方式快速采集地形、地貌、建筑或其他目標(biāo)區(qū)域的整體空間位置數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，并同步存儲在系統(tǒng)計算機中，經(jīng)專門軟件編輯處理，形成所需的點云模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)2011年立項，2012年硬件設(shè)備到位后，聯(lián)合課題組研發(fā)完成車載數(shù)字地形測量、車載建筑竣工測量、車載道路竣工測量等9項專用軟件，并獲得著作權(quán)，形成了一整套完善的軟硬件和作業(yè)解決方案。先后在寧波市智慧城管、城市規(guī)劃、智慧電網(wǎng)、數(shù)字公路、航測圖紙檢驗等領(lǐng)域顯露身手，快捷準(zhǔn)確、立體可視的效果收到多方好評。2013年3月，系統(tǒng)成果通過有6名測繪院士參加的專家組鑒定，總體研究達到國際先進水平。

該科技成果的應(yīng)用，解決了建筑物立面、街道街景、路面狀況、市政元素等空間綜合信息的快速獲取及眾多工程建設(shè)所需的高速度、高精度三維測量問題。為促進測繪發(fā)展方式轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)“辦公室測繪”目標(biāo)，為智慧寧波建設(shè)提供了三維空間快速測量手段。

(寧波市測繪設(shè)計研究院顧開建、林昀供稿)

Research and Application of GPR in Detection of Heating Pipelines on Comp lex Highway

Wang Jia，Miao Aiwei
(College of Architecture and Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)

Based on test principle of ground penetrating radar(GPR)，the application feasibility for detecting the heating pipelines on complex highway is verified.In accordancewith the complex highway in Wangjing area of Beijing，by using ground penetrating radar of SIR-20 tomonitor the geological situation of construction surface，the plain position of pipeline and the buried depth，the detection shows that:the objects of bigger relative dielectric constant absorbs the electromagnetic wave signal from periphery；themaximum intensity of reflection radar wave appears at the top of pipeline；the“arc”width in radar wave image produced by the bottom of pipeline is bigger than the top.Based on these studies，the design program and accident removal countermeasures for the detection of complex highway pipeline are proposed.Meanwhile，combining with actualmeasurement in field，contrives scheme utilizing ground penetrating radar to detect heating pipelines.It could be verified the feasibility of testing heating pipelineswith ground penetrating radar，provides a basis for the subsequent security dynamic construction design，and accumulates some experience for ground penetrating radar detecting pipeline on complex highway.

complex highway；ground penetrating radar(GPR)；heating pipelines；radar waves

1672-8262(2013)05-164-04

P631.5

A

2013—07—02

王佳(1986—)，男，在讀碩士研究生，主要從事巖土工程安全評價與設(shè)計等領(lǐng)域的研究工作。

國家自然科學(xué)基金項目(50874104)；國家十二五科技支撐項目(2012BAK09B06)；北京市創(chuàng)新人才項目(PHR201006118)與北方工業(yè)大學(xué)重點項目聯(lián)合資助。