地質雷達在地下金屬管線探測中的應用

張再豐

（南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210049）

各種地下管線是工程施工建設的重要基礎設施，它們負責信息傳遞，能量傳遞等，是當代社會生存與發(fā)展的地下空間設施基礎。但是，由于各種原因，我國各類地下管線專業(yè)資料不全，資料準確性差，或與現(xiàn)狀不符，導致在施工中對地下管線造成損壞，進而導致氣、水、電、通信中斷，燃氣爆炸等嚴重事故。

探地雷達技術被應用于地質工程建設的時間相對較短，始于20世紀80年代后期[1]。目前，探地雷達這一技術方法在國內主要被用于城市地下空間下設管線的檢測、隧道襯砌檢測、堤壩質量安全檢測等[2]。利用探地雷達針對于地質施工工程進行了連續(xù)多年的監(jiān)測，成功檢測到堤腳出現(xiàn)的一系列掏空現(xiàn)象[3]。

本文在前人的研究基礎上，結合南京市棲霞區(qū)鐘山職業(yè)技術學院附近地面拱起異?，F(xiàn)象，利用探地雷達在地質工程區(qū)域現(xiàn)場采集大量數(shù)據(jù)進行雷達波形處理并成像，成功檢測并達到了預期的探測效果，此次雷達探測成果對今后的地下空間管線探查工作具有一定的借鑒意義。

1 地下管線的種類和探測特點

1.1 地下管線類型

我國的地質工程地下管線按功能大致可分為地質結構發(fā)展、礦脈走向、排水、給水類，按物理性質可分為兩類：一類是由鋼、鐵材料構成的金屬管道；另一類由PVC，PE，混凝土構成的非金屬管道。

1.2 探測地下管線特征

第一，地下管線一般都處于地質復雜的環(huán)境中，對其進行探測是一項隱蔽工程。很多管道都在工程區(qū)域的下面。很多因素都會對探測工作造成嚴重干擾，傳統(tǒng)的地球物理方法甚至無法應用。第二，地下管道的種類很多，其種類、材料、分布都不盡相同。但是，地下管線的物理類型往往變化很快，給管線識別帶來困難。三是地下管線探測儀器功能強大，能連續(xù)準確地對管線進行定位、測量，探測深度3m～5m。另外，該檢測設備能承受干擾，從而提高了分辨精度。

2 探地雷達工作原理及探測方法介紹

探地雷達法(Ground Penetrating Radar Method)是利用探地雷達發(fā)射天線向目標體發(fā)射高頻脈沖電磁波，一種地球物理探測方法，其中，接收天線從目標身體接收反射的電磁波，并確定目標身體的空間位置和分布。實際上，它利用電磁波從目標物體和環(huán)境反射的特性來檢測目標物體內的結構，缺陷或其他不規(guī)則性。

地基雷達是近年來出現(xiàn)的一種用于混凝土結構地下檢測和無損檢測的新技術。它是一種無損測試儀器，使用寬帶和高頻電磁波來定位和分布中間結構。目前，它用于國內外測量。用于復雜地質結構內部缺陷的最先進，是最便捷的工具之一，具有強大的天線屏蔽和抗干擾能力，寬廣的檢測范圍，高分辨率，實時數(shù)據(jù)處理和信號增強，連續(xù)透視掃描，實時二維黑白在適當位置顯示或彩色圖像。探地雷達工作示意圖見圖1。

地質雷達通過對雷達天線的全面掃描來獲取目標隱身的垂直二維橫截面視圖。具體工作原理如下：當雷達系統(tǒng)使用天線發(fā)射寬帶和高頻輻射時。在地下的電磁波中，電磁波信號在介質內部傳播。當遇到介電常數(shù)差異很大的介質時，會發(fā)生反射，透射和折射。兩種介質的介電常數(shù)之差越大，反射電磁波的能量越大。地下穿透雷達主要使用時域中的寬帶高頻電磁脈沖波的反射來檢測目標的身體。如下公式：

雷達根據(jù)測得的雷達波走時，自動求出反射物的深度z和范圍。

電磁波的傳播取決于介質的電特性。介質的電特性主要包括電導率μ和介電常數(shù)ε。前者主要影響電磁波的穿透和檢測深度。在中等電導率的情況下，后者決定了物體中的電磁波，因此所謂的電界面是電磁波傳播速度的邊界。不同的地質體具有不同的電特性，因此在不同的地質體之間的界面處會產生回波。

探地雷達基本參數(shù)如下。

2.1 電磁脈沖波旅行時間

式中：Z—勘查目標體的埋深；x—發(fā)射、接收天線的距離（式中因Z＞x,故x可忽略）；V—電磁波在介質中的傳播速度。

2.2 電磁波在介質中的傳播速度

式中：C—電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）；εr—介質的相對介電常數(shù)，μr—介質的相對磁導率（一般μr≈1）。

2.3 電磁波的反射系數(shù)

在電磁波在介質中傳播的過程中，當檢測到相對介電常數(shù)有明顯變化的地質現(xiàn)象時，電磁波會引起反射和透射現(xiàn)象。反射和傳輸能量的分布主要與界面中電磁波的反射系數(shù)異常變化有關：

式中：r—界面電磁波反射系數(shù)；ε1—第一層介質的相對介電常數(shù)；ε2—第二層介質的相對介電常數(shù)。

2.4 探地雷達記錄時間和勘查深度的關系

式中：Z—勘查目標體的深度；t—雷達記錄時間。

3 地質雷達用于管線探測案例分析

3.1 工程概況

以某地質工程為例，由于最近汛期不少道路出現(xiàn)涌水、拱起、塌陷的事故，這對周圍地質生態(tài)環(huán)境與人員的安全構成了巨大的威脅。

根據(jù)現(xiàn)場的有關信息和資料，在該地區(qū)地下約6m～7m的深度處，有一條污水管道，管道向東北走向，管徑為1800mm。本次主要應用探地雷達法對目標區(qū)域內地下病害進行快速檢測，并及時采取相應處理措施，以防隨著地下地質塌陷發(fā)育，最終導致地面塌陷等嚴重自然災害的發(fā)生，造成周邊地下管線出事故。

3.2 現(xiàn)場測線布設情況

現(xiàn)場利用瑞典MALA地雷達，采用250MHz天線進行數(shù)據(jù)采集，共布置13條平行測線，測線均為長度22m左右，測線間距0.5m。

3.3 探測異常測線成果分析

數(shù)據(jù)處理結果如下。

圖2 側線 2

圖3 測線3

測線1分析：①距離測線1起點4m～7m處，深度1.2m，電磁波反射能量強、同相軸錯斷，存在不密實組合信號。②距離測線1起點10-11m處，深度1m，存在管線信號。

測線2分析：①距離測線2起點4m～8m處，深度1.5m，電磁波反射能量強、同相軸錯斷不連續(xù)，存在不密實組合信號。②距離測線2起點11m處，深度1m，存在管線信號。

測線3分析：①距離測線5起點3m～8m處，存在疑似不密實信號。②距離測線5起點11m處，深度0.7m存在地下管線信號。

4 結論及建議

利用探地雷達技術對地質工程地下管線探查具有實際的成效和重要的指導意義。

本次探測嚴格按照現(xiàn)行有關規(guī)范及委托方要求執(zhí)行，達到了預期目的，本報告可作為學院地下異常體判別的依據(jù)以及地質周圍地下管線的位置和埋深。通過雷達探測成果對比分析現(xiàn)將結論成果歸納如下：

（1）距離測線起始點3m處，存在一處約長5m、寬3m的不密實區(qū)域。

（2）現(xiàn)場探測地質施工區(qū)域內存在電力管線以及排水管道，位置不在道路出現(xiàn)涌水、拱起、塌陷的區(qū)域，地質周邊管線相對安全不受影響。