地下管線探測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用分析

李慧琪++高濤

【摘要】隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，地下管線的密集度越來(lái)越大，在大量的城市地下施工過程中，地下管線的保護(hù)越來(lái)越顯得重要，掌握施工地段地下管線的敷設(shè)又是確保地下管線和施工安全的前提，該文簡(jiǎn)要介紹了地質(zhì)雷達(dá)的基本原理和數(shù)據(jù)處理方法，并結(jié)合工程實(shí)例，分析了地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)地下管線分布中的作用。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá)；探測(cè)；地下管線

Application and Analysis of Ground Penetrating Radar in Underground Pipeline Detection

Li Hui-qi，Gao Tao

（Anyang City Architectural Design and Research InstituteAnyangHenan455000）

【Abstract】With the development of urban modernization， the underground pipeline is becoming more and more intensive. Underground underground pipeline protection is becoming more and more important during the construction of large number of urban underground. It is also important to ensure the underground pipeline and construction The paper introduces the basic principle and data processing method of GPR， and analyzes the function of GPR in the detection of underground pipeline distribution.

【Key words】Geological radar；Detection；Underground pipeline

近年來(lái)，隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，地下管線的密集度越來(lái)越大，在大量的城市地下施工過程中，它們的安全直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)建設(shè)、市民生活，同時(shí)，也影響到施工人員的人身安全。因此，如何在施工時(shí)，避免破壞這些地下管線就變得越來(lái)越重要。地質(zhì)雷達(dá)作為一種高分辨探測(cè)技術(shù)，能夠探明施工區(qū)段地下管線、線路的敷設(shè)情況，避免由于不明地下管線的分布而造成施工時(shí)挖斷管線帶來(lái)的損失，確保施工安全，近年來(lái)得到了普遍的應(yīng)用。

1. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

（1）地質(zhì)雷達(dá)（GPR）的原理概括地說(shuō)，它是通過對(duì)電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的研究與波場(chǎng)特點(diǎn)的分析，查明介質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性、幾何形態(tài)及其空間分布特征。地質(zhì)雷達(dá)由地面上的發(fā)射天線 T 將高頻電磁波（主頻為106～109Hz）以寬頻帶短脈沖形式送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)分界面反射后返回地面，為另一接收天線 R 所接收，而其余電磁能量則穿過界面繼續(xù)向下傳播，在更深的界面上繼續(xù)反射和折射，直至電磁能量被地下介質(zhì)全部吸收。

（2）地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線在介質(zhì)表面向其內(nèi)部發(fā)射頻率為數(shù)百兆赫茲的高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不同界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及透射，反射波返回介質(zhì)表面，又被接收天線所接收（所用的天線為收發(fā)合一的屏蔽天線）。此時(shí)，雷達(dá)主機(jī)記錄下電磁波從發(fā)射到接收的雙程旅時(shí)△t，當(dāng)電磁波在介質(zhì)內(nèi)傳播的速度V已知時(shí)，可由D=Vo△t/2式求出反射面的深度即目標(biāo)體的深度。

（3）由此可知，電磁波的反射系數(shù)取決于界面兩邊媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的差異，差異越大，反射系數(shù)也越大。

2. 儀器設(shè)備

本次檢測(cè)使用的是美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的（GSSI） SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)，該地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射、接收和控制三部分組成。發(fā)射部分由脈沖發(fā)生電路和發(fā)射天線構(gòu)成，產(chǎn)生并發(fā)電磁脈沖；接收部分由接收天線、高頻放大電路和采樣電路構(gòu)成，接收的高頻信號(hào)被放大后，采樣電路變換為低頻信號(hào)，送到信號(hào)處理電路；控制部分是由產(chǎn)生整體裝置同步信號(hào)的基準(zhǔn)同步信號(hào)發(fā)生器、控制采樣電路的采樣控制器、處理接收信號(hào)的信號(hào)處理電路、以及顯示處理信號(hào)的輸出顯示部分組成的。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)一定處理后，由輸出顯示設(shè)備輸出探測(cè)結(jié)果。

3. 工程實(shí)例一

3.1工程概況。

本工程位于某市居民住宅區(qū)內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及資料的情況來(lái)看，目前兩側(cè)多為已拆遷后的居民住房，在原道路兩側(cè)已用磚墻圍檔；在群眾路和交通路地下通道范圍內(nèi)均有一組軍用光纜和電信長(zhǎng)途通信光纜未拆遷。另外在本工程施工范圍內(nèi)地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，有上水管、煤氣管、電話電線、污水管、雨水管、電力電纜、照明、信號(hào)和有線電視等九大類地下管線，部分線路分布在施工開挖區(qū)內(nèi)，施工期間必須切實(shí)做好管線的處理方案，確保各類管線的安全和正常使用，才能避免窩工，提高效率其工作順利與否，直接影響到工程的施工進(jìn)度。因此，探明施工區(qū)地下管線、線路的敷設(shè)情況是確保施工安全的重要前提。

3.2探測(cè)情況概述。

根據(jù)道路平面布置和管線埋深情況，分別在道路兩側(cè)的中心線上布置了兩條主測(cè)線，在兩側(cè)人行道及原居民區(qū)部分別布置了20條測(cè)線。探測(cè)天線采用了100MHz、400 MHz 兩種天線。其中在兩條主測(cè)線上采用了 100 MHz 天線進(jìn)行探測(cè)，時(shí)窗設(shè)置為200ns，探測(cè)深度為7m左右。在兩側(cè)人行道及原居民區(qū)布置采用 400 MHz 天線進(jìn)行探測(cè)，時(shí)窗設(shè)置為50ns，探測(cè)深度為2m左右。根據(jù)地質(zhì)情況，介電常數(shù)均采用經(jīng)驗(yàn)值15。

3.3數(shù)據(jù)處理。

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)方法在采集地下目標(biāo)體的有效反射信息時(shí)，還會(huì)接收到各種規(guī)則的或隨機(jī)的干擾信息，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的，就是為了壓制這些干擾波，最大限度地突出有效波，以便提高雷達(dá)記錄的信噪比和分辨率，提供和顯示記錄中包含的與地下目標(biāo)體的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和屬性等有關(guān)的信息，為地質(zhì)雷達(dá)資料解釋服務(wù)，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)資料處理流程圖詳見圖2。

3.4資料分析。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)波的探測(cè)原理，當(dāng)兩個(gè)介質(zhì)的介電常數(shù)相差較大時(shí)，雷達(dá)波會(huì)發(fā)生明顯的反射、繞射等現(xiàn)象。選取2組典型的地質(zhì)雷達(dá)波圖形，當(dāng)雷達(dá)波掃描至地下管線時(shí)，雷達(dá)波會(huì)產(chǎn)生明顯的繞射現(xiàn)象。我們可以清楚地看出地質(zhì)雷達(dá)波的反射現(xiàn)象，弧形的大小反映了反射物體的大小，由于地下管線較小，雷達(dá)波上呈小弧形反射，下水道呈弧形較大的空洞式反射。通過對(duì)時(shí)間及速度參數(shù)的計(jì)算更準(zhǔn)確的得出管線的實(shí)際位置。這與施工單位提供的城市地下管道布置圖相吻合。

4. 工程實(shí)例二

某市區(qū)地下管線補(bǔ)測(cè)工程中燃?xì)夤芫€大多數(shù)都為塑料管線，少數(shù)給水管線為塑料管線，所以在收集資料后，我們確定以探地雷達(dá)探測(cè)為主要手段進(jìn)行探測(cè)。

4.1平行管線異常的判別。

（1）城市地下管線探測(cè)中，平行埋設(shè)的地下管線在實(shí)際探測(cè)中經(jīng)常遇到。探地雷達(dá)采用剖面法探測(cè)，目標(biāo)管線的異常只能通過對(duì)單個(gè)剖面的分析解釋來(lái)確定。由于管線密集埋設(shè)，剖面記錄除顯示目標(biāo)管線異常外，含有許多非目標(biāo)管線異常及淺部不均勻干擾異常，有些異常形態(tài)和規(guī)模幾乎與目標(biāo)管線一樣，且相互疊加，無(wú)法準(zhǔn)確判別哪個(gè)目標(biāo)管線異常，因此，探測(cè)解釋前現(xiàn)場(chǎng)了解目標(biāo)管線的大致位置和埋深及剖面記錄范圍內(nèi)可能存在的其它管線的規(guī)格、材質(zhì)、位置、埋深等情況，有助于排除非目標(biāo)管線異常，準(zhǔn)確判定目標(biāo)管線異常。

（2）根據(jù)給水砼管探測(cè)記錄剖面，圖像顯示在水平位置為0.89m、1.25m和2.22m有3處異常，埋深分別為0.73m、1.57m、0.83m。由已探測(cè)管線及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析可知，第1個(gè)異常和第3個(gè)異常為電信，中間異常即為目標(biāo)管線給水。

4.2不均勻介質(zhì)干擾異常解釋。

城市道路路基及管道上覆回填土層中通常夾雜著許多塊石、磚頭等建筑垃圾，這些孤立的塊石磚頭與周圍土質(zhì)在電性特征上存在一定差異，在雷達(dá)剖面上形成復(fù)雜干擾異常，影響目標(biāo)管線異常的識(shí)別。在外業(yè)探測(cè)過程中，可在測(cè)點(diǎn)附近改變測(cè)線位置多次施測(cè)比較；在異常解釋時(shí)，應(yīng)充分了解目標(biāo)管線規(guī)格、材質(zhì)、埋設(shè)情況及其反射波的異常形態(tài)、規(guī)模及波形特征，結(jié)合管道的連續(xù)性、干擾的隨機(jī)性的特點(diǎn)，從眾多干擾中，識(shí)別出連續(xù)出現(xiàn)、波形特征穩(wěn)定的目標(biāo)管線反射異常。在干擾嚴(yán)重路段可采用釬探或開挖驗(yàn)證。由于管線規(guī)格較干擾體大，因此異常形態(tài)規(guī)模也較干擾異常大，圖2在1.8米埋深0.8米處有不規(guī)則反射弧，經(jīng)判斷應(yīng)為地層起伏引起的干擾，圖3在1.5米至3米處地下有雜質(zhì)干擾，導(dǎo)致給水管左半邊反射弧完全被屏蔽掉了。

4.3地表建筑物干擾的判斷。

城市地下管線一般敷設(shè)在人行道至第一排建筑物前，雷達(dá)探測(cè)地下管道時(shí)，雷達(dá)波除了下地下傳播外，還有部分雷達(dá)波傳向空中，地下管線的雷達(dá)反射波與建筑物的雷達(dá)反射波同時(shí)被雷達(dá)接收機(jī)收到，異常都反映在雷達(dá)剖面圖上，因此在判讀雷達(dá)圖像時(shí)首先要排除建筑物的干擾。建筑物干擾異常一般為強(qiáng)烈的斜線，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，范圍較大。

4.4排水管溝探地雷達(dá)異常判別。

（1）由于排水方溝頂部是平面的，探地雷達(dá)探測(cè)斷面的雷達(dá)圖像不會(huì)顯示出與圓形管道相似的曲線形狀，判斷其平面位置和埋深難度較大。正確分析管溝雷達(dá)圖像的突破口在于找準(zhǔn)方溝的兩個(gè)頂端溝邊上，雷達(dá)圖像上若有兩個(gè)相似的、相互對(duì)稱的坡度異常，且兩異常之間距離與管溝寬度一致，即可確認(rèn)兩溝頂邊的位置。管溝位于馬路車行道下，規(guī)格為4000mm×2500mm，頂蓋板為0.2m厚預(yù)制水泥板。探地雷達(dá)剖面圖的上層異常，為正向連續(xù)同向軸板狀體異常，正向同向軸對(duì)應(yīng)內(nèi)部空間頂界面，按波速v=0.09m/ns界面到地面厚度為1.2m，方溝寬度為4000mm。

（2）以上幾種情況是我們?cè)谑褂锰降乩走_(dá)探測(cè)管線常碰到的現(xiàn)象，為盡量避免這些情況給我們的探測(cè)帶來(lái)錯(cuò)誤，我們就需要在不同的地方多做些雷達(dá)斷面，以及在情況允許的條件下適當(dāng)開挖驗(yàn)證。

5. 結(jié)論

通過采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地下管線的探測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)地下管線位置的記錄得到了準(zhǔn)確的反映，然而，更深入一步，如從中分析求證出管線的粗細(xì)、材質(zhì)，以及其中的充填物和其他信息，則需要進(jìn)行從施工參數(shù)的選取到后期數(shù)據(jù)的處理和解釋等一系列的細(xì)微工作。由于地質(zhì)雷達(dá)在應(yīng)用過程中效率高、無(wú)損傷并能實(shí)時(shí)展示地下圖像，適合在城市各種場(chǎng)合使用，因此，隨著人們對(duì)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步研究，它必將成為城市管線探測(cè)的最有效工具。

參考文獻(xiàn)

[1]袁明德. 探地雷達(dá)探測(cè)地下管線的能力[J]. 物探與化探， 2002，2（26）：152-155.

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