地質雷達在地下管線探測中的應用與實例分析

項立斌

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院 ， 安徽合肥 230022）

地質雷達在地下管線探測中的應用與實例分析

項立斌

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院 ， 安徽合肥 230022）

地下管網(wǎng)探測工作一般分為實地調查和盲區(qū)探測兩個步驟。首先根據(jù)現(xiàn)有管線分布圖進行實地調查，在調查工作的基礎上對盲目管線進行探測。本文介紹了地質雷達探測工作的基本原理。列舉了地質雷達在地下管線探測中應用的實例，并結合實地情況，對探測結果進行了分析。

地質雷達； 高頻電磁波 ；地下管線探測 ； 實例分析

1　概述

隨著城市建設的發(fā)展，地下管線探測工作日益增多，同時隨著地下管線施工工藝及管道材質的發(fā)展，導致管線探測的難度也日益增加。

目前管線探測工作中主要使用的儀器是地下管線探測儀和地質雷達。地下管線探測儀只能探測金屬管道或地下電纜，對于非金屬管道探測，地質雷達的作用就顯得更為重要。地質雷達應用于地下管線探測工程一般配備100MHz、250MHz屏蔽式天線，屏蔽式天線在城區(qū)探測工作中更顯得必要。本文著者著重介紹地質雷達探測地下非金屬管道、電纜和掩埋窨井的應用實例，并對不同目標體的地質雷達反射電磁波圖像的異常特征進行了簡要剖析。

2　地質雷達工作原理簡介

2.1地質雷達探測原理

地質雷達是一種用于確定地下介質分布情況的高頻電磁技術，主要基于地下介質的介電性差異，地質雷達通過一個天線發(fā)射高頻電磁波，另一個天線接收地下介質反射回來的電磁波，通過配置的工作軟件對接收到的信號進行處理、成像。詳細工作過程是：由置于地面的天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當其在地下傳播過程中遇到不同電性（主要是相對介電常數(shù)）界面時，電磁波一部分射透過界面繼續(xù)傳播，一部分反射至地面，被接收天線接收，并由主機記錄。反射波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時間稱為雙程走時（t），當求得地下介質的波速或已知介質的相對介電常數(shù)時，可根據(jù)測到的精確t值便可求得目標體的位置和埋深。

2.1.1地質雷達求深公式

如圖1所示，T是發(fā)射天線，R是接收天線，h為待探測的目標體頂部埋深，t為電磁波雙程走時，則有如下關系式：

由于屏蔽式發(fā)射天線（T）與接收天線（R）相距很近，即x≈0，此時（1）可變換為：

圖1　地質雷達反射測深原理圖Fig. 1 Geological radar reflection sounding principle

因此，若知道電磁波在介質中的傳播速度（v），并精確地記錄電磁發(fā)射波的走時（t），就可計算出待測目標體的深度（h）。

地質雷達發(fā)射的電磁波頻率很高（10nMHz），當只考慮地下介質的介電性時，電磁波的傳播速度（v）可近似為：

所以（2）式變?yōu)椋?/p>

因此，若知道地下介質的相對介電常數(shù)（εr），并精確地記錄電磁發(fā)射波的走時（t，單位：s），由（3）式也可計算出待測目標體的深度（h，單位：km）。

2.1.2地質雷達圖像形式

地質雷達反射剖面圖形常以脈沖反射波的波形形式表示，波形的正負峰分別以黑、白色顯示（圖2）?；蛘咭曰译A（圖3）或彩色（圖略）顯示，在圖面上，同相軸呈等灰度或等色線束，形象地表征出地下不同介質的反射面。

3　工程應用與實例分析

3.1方法試驗工作

對于每個工程項目，進場時首先要針對地下管線的埋設狀況，在測區(qū)內選擇具有代表性的各類不同埋深的已知管線進行方法試驗，以便選擇最佳工作參數(shù)、建立不同目標物的反射波異常特征；根據(jù)已知目標物的埋深，通過反復計算獲得場地介質電磁波傳播的波速值或介電常數(shù)的參考值，為盲區(qū)探測的定

3.3.1安徽淮南市某路口地下管線探測

受施工單位委托，要求探測砼材質、直徑為600mm給水管道位置、埋深和走向的工作任務。由于路面多次鋪墊，管道埋設時代較年久，我們首先采用實地調查，大致了解了目標管道的大致走向；再RD8000型地下管線探測儀探測目標管道的周邊各種金屬管線分布情況并標注位置；最后布置合理的地量計算、定性解譯做準備。

圖2　同相軸波形形式雷達反射圖像Fig. 2 Radar reflection image in the form of event waveform

圖3　灰階形式雷達反射記錄圖像Fig. 3 Gray scale-like radar reflection image

3.2工作步驟與方法

每一個地下管線探測項目，首先盡量收集測區(qū)已有的地下管網(wǎng)資料，在資料收集工作的基礎上，第一步進行實地調查。實地調查主要是尋找露頭窨井，將其打開進行拍照、丈量深度、填寫記錄等。第二步，對于有露頭的金屬管或電力線，使用地下管線儀，采用鉗夾法進行追蹤探測或采用電磁感應法探測。第三步，對于非金屬管道或管徑大、埋藏深的金屬管道，使用地質雷達進行探測。

地質雷達探測地下管線一般采用等間隔測點的剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間隔沿測線同步移動探測。在了解探測目標管線大致走向和位置的基礎上，選擇合適的場地布置測線，標志起始位置，剖面方向應垂直目標管線走向。對于管線分支或轉折，應在不同管線方向或分支方向布置測線，確定管線位置、走向后采用交匯法定特征點。

3.3探測實例質雷達探測剖面。圖4是探測現(xiàn)場照片，圖5為探測結果。

圖4　地質雷達探測工作現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 4 Geological radar detection work spot photo

圖5 地質雷達探測成果圖像Fig. 5Geological radar detection results image

圖5是采用灰階形式表示的圖像，通過增益模式處理，圖中清晰可見三處單邊雙曲線形態(tài)的反射波異常。其中，1號異常單邊雙曲線頂部呈水平狀，可清楚判讀異常體寬度。2號異常單邊雙曲線頂部相對較尖銳，信號強度較強，且清晰可見單邊雙曲線內部有兩組獨立反射弧。3號異常單邊雙曲線頂部較平坦，雙曲線內部出現(xiàn)清晰二次波反射。

結合現(xiàn)場實地調查，推斷出1號異常為管塊結構埋設的多根電力線，其雙曲線頂部呈現(xiàn)的平頂即為水泥管塊的寬度。2號異常為電力管線，采用套管直埋方式埋設，由于單邊雙曲線內部有兩組獨立反射弧，推測套管中可能有兩根電纜。3號異常為給水管線，采用管埋方式埋設，由于采用地下管線探測儀追索無信號，推測為砼材質管，隨后經(jīng)開挖驗證，確實為要探測的砼材質給水管道。

3.3.2合肥市巢湖路某處沉井及井蓋探測

圖6　地質雷達探測沉井現(xiàn)場Fig. 6 Scene of geological radar detection of sunk well

由于建設場地施工原因，導致部分污水沉井井蓋被掩埋，急需尋找井室確切位置進行疏通。受合肥市排水辦的委托，我們采用地質雷達方法進行現(xiàn)場探測尋找（圖6）。

圖7 地質雷達探測結果圖像Fig. 7 Geological radar detection results image， raw

圖7是采用100MHz天線、采樣時窗長度200ns、疊加次數(shù)64次、測點距0.20m的地質雷達探測結果的反射斷面圖。雷達圖像經(jīng)過指數(shù)增益模式處理，從圖中清晰可見，在剖面上大約8m處出現(xiàn)一組單邊雙曲線形反射波異常。經(jīng)過時深轉換后，首次反射波大約出現(xiàn)在深度1.3m左右，結合現(xiàn)場調查推斷認為是需要尋找的沉井井室位置。

4　結語

地質雷達在解決地下管線及地下埋設物的探查中利用不同頻率的天線組合，結合實地調查工作，確實能解決一些疑難復雜管線的定位問題，但由于受場地環(huán)境、電磁干擾等、人文活動等因素制約，很多地段無法獲得目標物的準確信息，探測工作必須分步驟有序進行，特別是現(xiàn)場試驗、實地調查工作環(huán)節(jié)十分重要。該方法是探測非金屬管道的一種手段，對于金屬管線可作為探測方法的一種補充。

［1］楊峰，彭蘇萍.地質雷達探測原理與方法研究［M］. 北京： 科學出版社，2010.

［2］趙永峰.地質雷達技術在地下管線探測中的應用［J］. 地震地磁觀測與研究，2009，2（4）：34～38.

［3］袁明德.探地雷達探測地下管線的能力［J］. 物探與化探，2002，26（2）：152～155，162.

APPLICATION OF GEOLOGICAL RADAR IN DETECTION OF UNDERGROUND PIPELINE AND CASE ANALYSIS

XIANG Li-bin
（Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province， Hefei， Anhui 230022， China）

Underground pipe network detection is generally divided into spot survey and blind zone detection. Based on available pipeline distribution map， spot survey is conducted first， followed by detection of pipeline in blind zone. This paper introduced basic principle of geological radar detection， listed cases of the application，and analyzed detection results according to local conditions.

geological radar； high-frequency electromagnetic wave； underground pipeline detection； case analysis

1005－6157（2016）03－0222－3

P631.5

A

2016-02-25

項立斌（1963－ ），男，安徽巢湖人，高級工程師，現(xiàn)主要從事地球物理勘探工作。。