探地雷達在地下管線探測工程中的應(yīng)用

尹燕京，李冬冬，駱旭佳，陳傳輝，李紅林

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

近年來，城市地鐵、公路隧道等地下工程迅猛發(fā)展，也帶來了城市地下空間開發(fā)的安全性問題。城市地下管線錯綜復(fù)雜，與地下工程施工安全息息相關(guān)，部分管線由于其年代久遠、埋深大、非金屬材質(zhì)及小管徑等，難以探測，導(dǎo)致施工破壞地下管線的事故時有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成了損失。

探地雷達，又名地質(zhì)雷達（簡稱“GPR”），是一種利用廣譜電磁技術(shù)探測地下介質(zhì)分布的物探設(shè)備，在地質(zhì)勘察、地下管線探測和工程檢測中廣泛應(yīng)用，具有探測精度高、操作便捷等特點。

相對于其他地球物理探測方法，探地雷達用于探測地下管線具有以下幾點優(yōu)勢：

（1）無損探測，不必開挖揭露或鉆探，可在地面直接探測地下埋設(shè)的管線。

（2）探測效率高，其天線可以通過手提或推車方式開展外業(yè)探測，操作便捷，工效高。

（3）使用屏蔽天線，抗干擾能力較強，且不受交通、機械等震動影響。

（4）分辨率較高，相對于電法、磁法、地震波等其他物探方法，探測分辨率較高，探測成果直觀。

1 探地雷達基本工作原理

電磁波在介質(zhì)中的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率σ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的探測深度，后者主要決定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。不同的地質(zhì)體（物體）具有不同的電性，因此在不同電性的地質(zhì)體的分界面都會產(chǎn)生反射電磁波。探地雷達通過向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播過程中，遇到存在電性差異的不同介質(zhì)界面會發(fā)生反射，其走時、振幅、波形會發(fā)生相應(yīng)變化，接收機接收反射信號，由雷達主機精確記錄下反射電磁波的運動特征，再通過信號技術(shù)處理形成反射電磁法圖像，進而分析地下目標體的位置和規(guī)模。探地雷達原理如圖1所示。

圖1 探地雷達工作原理示意圖Fig.1 Working principles of GPR

電磁波在地下傳播時，其走時由式（1）確定：

式中：t為電磁波脈沖旅行時間；z為目標體深度；x為發(fā)射天線與接收天線距離；v為電磁波速度。

電磁波速度v受介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率影響，其波速公式為：

式中：c為真空中電磁波波速（0.299 79 m/ns）；μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般μr≈1）；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr見表1。

表1 常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)Table 1 εr value of common medium

2 探測地下管線關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 分辨率

分辨率指識別兩個或兩個以上目標體的能力。探地雷達分辨率分為縱向分辨率和橫向分辨率。

探地雷達縱向分辨率取電磁波波長的1/4，電磁波波長按式（3）計算：

式中：λ為電磁波波長（m）；f為雷達天線主頻（MHz）。

探地雷達橫向分辨率宜按式（4）計算：

式中：x'為雷達橫向分辨率（m）；h為深度（m）。

由以上公式可知，探地雷達的橫向或縱向分辨率都與探地雷達的主頻有關(guān)，主頻越高，分辨率越高，探測精度越好。同時還應(yīng)滿足探測深度要求，一般主頻越高，有效探測深度越小。探地雷達用于城市地下管線探測時，宜選擇頻率為80～500 MHz的屏蔽天線。在滿足探測深度要求的情況下，宜選擇頻率較高的天線。

2.2 時窗和增益

時窗大小直接決定了雷達圖像所展現(xiàn)的探測深度范圍，為確保探測目標體回波的有效性，應(yīng)合理設(shè)置時窗。時窗可按式（5）估算：

式中：T為記錄時窗（ns）；K為加權(quán)系數(shù)，一般取1.3；D為最大探測深度（m）。

管線普查時，雷達天線通常會高低頻搭配探測，時窗應(yīng)覆蓋最大目標探測深度；在管線精探時，側(cè)重于目標管線的定位和定深，時窗設(shè)置應(yīng)最大限度地考慮對目標管線的有效探測。

增益是對信號放大性能的參量，雷達增益設(shè)置應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。一般增益設(shè)置宜使信號的幅值不超過信號監(jiān)視窗口的3/4，現(xiàn)場采集時可通過多次疊加的方式提高信噪比。

2.3 測線布置

合理的測線布置是保證良好探測效果的前提，測線布置時要特別注意以下幾點：

（1）測線應(yīng)盡量布置在場地平整的位置。在進行貼地探測時，場地越平整，天線與地面的耦合程度越好，直達波的干擾會越小。

（2）測線布置前，應(yīng)盡可能了解地下及周邊干擾源的分布情況，測線應(yīng)盡可能避開這些干擾。

（3）探測前，應(yīng)大致掌握其地下管線平面位置及走向，測線方向應(yīng)與管線垂直。

3 工程實例

3.1 斐濟Rewa河供水項目地下管線探測

3.1.1 工程概況

受斐濟水務(wù)局委托，承擔(dān)斐濟Rewa 河供水管道擴建項目，線路全長約9 km。為確保供水管道施工時不發(fā)生破壞地下管線的事故，需查明設(shè)計供水管道兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)的地下管線分布情況。

圖2 探測范圍圖Fig.2 Detection area

3.1.2 探測對象

測區(qū)范圍內(nèi)存在排水管線、給水管線、電力通訊線及部分工業(yè)管道。其中電力通訊線及其他金屬管道采用管線儀電磁感應(yīng)法探測，但對于小管徑的非金屬材質(zhì)的供水管或排水渠，采用探地雷達方法進行探測。

3.1.3 儀器設(shè)備

本次探測采用意大利Detector DUO 雙頻雙通型專業(yè)管線探測雷達，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 Detector DUO 型地質(zhì)雷達主要參數(shù)Table 2 Main parameters of Detector DUO GPR

該雷達具有自動記錄管線或其他目標體位置的功能，可兼容GPS 定位，探測結(jié)果可快速輸出到CAD 中。本次探測采用250 MHz+700 MHz 雙頻天線，一次掃描即可得到深部和淺部管線的分布情況，實現(xiàn)了探測深度和精度的互補。

3.1.4 探測成果

現(xiàn)場測線垂直于管道走向布設(shè)，共布設(shè)68 條測線，部分測線見圖3。

圖3 雷達測線布置圖Fig.3 Layout of GPR survey lines

依次沿測線進行雷達探測，并經(jīng)濾波、褶積、時深轉(zhuǎn)換等處理形成斷面雷達圖像，然后依據(jù)斷面雷達圖像的反射電磁波特征識別地下管線并分析管線的材質(zhì)、位置和規(guī)模。部分地下管線探測雷達圖像及分析如下。

3.1.4.1 探測地點：Princess Rd

根據(jù)雷達圖像分析（見圖4），管材為PVC 管，管徑250 mm，管頂埋深0.65 m。經(jīng)開挖驗證（見圖5），開挖后實際量測管頂埋深為0.71 m，探測誤差為6 cm，精度滿足CJJ 61-2017《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》要求。

圖4 Princess Rd雷達探測圖像Fig.4 Result from GPR survey of Princess Rd

圖5 14號探坑示意圖Fig.5 Trial pit No.14

3.1.4.2 探測地點：Sawany Rd

根據(jù)雷達圖像分析（見圖6），管材為水泥管，管徑300 mm，管頂埋深1.25 m。經(jīng)開挖驗證（見圖7），開挖后實際量測管頂埋深為1.36 m，探測誤差為11 cm，精度滿足CJJ 61-2017《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》要求。

圖6 雷達探測成果圖Fig.6 Result from GPR survey of Sawany Rd

圖7 13號探坑示意圖Fig.7 Trial pit No.13

3.2 杭州之江路供水管道孔中雷達探測

3.2.1 工程概況

杭州之江路輸水管廊及道路提升工程范圍西起之浦路以西，東至復(fù)興路，全長約6.3 km。在之江路與之浦路路口位置，對已有資料中一根管徑2 400 mm、材質(zhì)為鑄鐵的供水管（已知其大致平面位置）進行探測驗證，進一步明確其埋深和準確平面位置，探測管線大致范圍見圖8。

圖8 探測范圍圖Fig.8 Detection area

經(jīng)實地踏勘和現(xiàn)狀分析，由于管線埋深較大，在地面探測無法滿足精度要求，因此采用孔中雷達方法進行探測。本次孔中雷達探測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的配備有孔中天線的SIR系列孔內(nèi)雷達，采用單孔反射方式，即發(fā)射天線和接收天線在同一個鉆孔中以固定間距沿鉆孔自上而下移動。發(fā)射的電磁波信號向鉆孔周圍介質(zhì)傳播，當(dāng)遇到有介電差異物質(zhì)時，其反射波被接收機接收，通過雙孔交會方式確定地下管線的位置和埋深。典型鉆孔布置見圖9。

圖9 鉆孔布設(shè)圖Fig.9 Layout of boreholes

3.2.2 探測成果

每組鉆孔（ZK1 與ZK2、ZK3 與ZK4、ZK5 與ZK6）在平面上以目標管線為中心對稱分布。由于管線平面位置大致已知，以ZK1 和ZK2 為例，首先在ZK1處進行孔內(nèi)雷達探測，發(fā)現(xiàn)距鉆孔水平距離1.5 m、距地面深度8 m 左右存在異常反應(yīng)；隨后在ZK2 位置進行探測，發(fā)現(xiàn)距鉆孔水平距離1.4 m、距地面深度8.2 m左右存在異常，結(jié)合已有資料，基本可以判斷為目標管線（ZK1、ZK2鉆孔雷達圖像見圖10和圖11）。

圖10 ZK1鉆孔雷達圖像Fig.10 Result from GPR survey in borehole ZK1

圖11 ZK2鉆孔雷達圖像Fig.11 Result from GPR survey in borehole ZK2

以上探測成果表明，采用孔中雷達方法探測大埋深地下金屬管線效果也非常明顯。

4 結(jié)論及展望

探地雷達是一種有效的探測地下管線的地球物理方法，相對于其他方法，其具有探測效率高、操作便捷、適應(yīng)性強、分辨率高等特點，是目前探測非金屬管線的主要手段。通過兩個工程實例分析了探地雷達在地下管線探測工程中的應(yīng)用，工程應(yīng)用結(jié)果表明探地雷達用于探測地下金屬或非金屬管線效果明顯。對于埋深較大的管線（一般5 m 以上）或埋設(shè)于濕潤土壤介質(zhì)中的管線，探地雷達探測效果不太理想，應(yīng)結(jié)合其他方法進行綜合探測。近年來，三維探地雷達在工程中的應(yīng)用優(yōu)勢已嶄露頭角，有望在地下管線、病害體探測工程中得到廣泛的應(yīng)用。