論地質(zhì)雷達(dá)在城市非金屬地下管線探測中的應(yīng)用

姜龍

（合肥市勘察院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在城市化發(fā)展迅速的前提下，城市地下空間的利用率也不斷提升，地下管線類型眾多且在用途、材料性質(zhì)以及尺寸上均存在非常明顯的差異性，因此針對不同類型地下管線需應(yīng)用的探測技術(shù)也會存在一定的差異性。傳統(tǒng)意義上的地下管線探測方法所探測出來的數(shù)據(jù)無法正確的體現(xiàn)出地下管線的破損狀況，地下管線的鋪設(shè)質(zhì)量也難以得到準(zhǔn)確的反應(yīng)，由此可能導(dǎo)致一系列質(zhì)量安全隱患的產(chǎn)生，對地下管線探測質(zhì)量產(chǎn)生非常不良的影響。所謂的地質(zhì)雷達(dá)是采用一種使用高頻寬度的電磁波的探測技術(shù)，專門為地下淺層探測所設(shè)計的一種探測技術(shù)，具有分辨率高、準(zhǔn)確可靠、安全無損、快捷連續(xù)等一系列優(yōu)勢，在地下管線探測過程當(dāng)中具有非常重要的價值，本文就是在對使用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在探測在地下管線中所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與探討。地下管線在城市中是最基礎(chǔ)、也最重要的設(shè)施，在城市發(fā)展中占據(jù)重要位置，對城市的運行起著決定性作用，關(guān)系著城市的發(fā)展格局。地下管線是“城市的生命線”，主要職責(zé)不僅是保障內(nèi)部物質(zhì)的運輸和信息傳遞，并且還對內(nèi)部能量的輸送負(fù)責(zé)。地下管線工作量大且復(fù)雜，同時對測量技術(shù)也有著高標(biāo)準(zhǔn)、高條件。由于城市化的不斷高度發(fā)展，其規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，致使地下管線需要不斷增多，才能跟上城市發(fā)展，保證城市化水平提高。因此加強探測技術(shù)迫不及待[1]。

管線在城市地底下的路線線非常多樣復(fù)雜，是城市發(fā)展建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。由于社會經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步和城市的不斷發(fā)展建設(shè)，勘查地下管線的任務(wù)也面對著新的問題新的難點，這對勘測人員來說是個艱巨的挑戰(zhàn)。埋在城市地下的管線的類別繁多多，主要是給排水管道、熱力、電力、通信、國防電纜等。要想城市在發(fā)展和建設(shè)的時候保障城市穩(wěn)定順利發(fā)展以及人們的生產(chǎn)順利，必須要有完整、安全的地下管線網(wǎng)圖。但是因為城市步伐不停的進(jìn)步，以前的地下線路方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代城市的發(fā)展需要，所以，需要地下管道模式更加的多樣化[1]。為了改變以前的地下管線老化的問題，保障城市的發(fā)展需要，需要對現(xiàn)有的城市地下管線進(jìn)行合理的，科學(xué)的拆除，改善和修改，從而滿足現(xiàn)在的城市需求。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測方法與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 管道埋深的確定

管道埋深的計算公式為：

式中：H——管道埋深；v——電磁波在土層（或含巖石）中傳播速度；t——電磁波由地表傳至管道與土層（或含巖石）分界面的雙程走時。在測驗工作中，只需知道v，將其輸入計算機(jī)，便可經(jīng)過雷達(dá)測驗專用軟件將記載的時刻剖面主動轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃绕拭?。厚度界面可?jīng)過人機(jī)對話方法生成。依據(jù)管道與土層界面反射波的振幅及相位特征，便能夠確定出管道的頂界面，并大略估算出管道大小規(guī)模、埋深，再依據(jù)反射波相位特征確定管道底界面[2]。

1.2 測線布置原則

正規(guī)狀態(tài)下，地下管線的勘探應(yīng)以垂直于管線的辦法進(jìn)行。實際勘探中，許多地下管線的位置和深度這些信息都是不知道的，那么怎么合理地規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的勘探線路與計劃就顯得尤為重要，這關(guān)系到地下管線勘探的全面性及勘探的效率。

除此之外還需確定測線間距。測線距離的確定需歸納勘探區(qū)域的面積與勘探的具體程度，假如區(qū)域中有部分區(qū)域是需要要點勘探的應(yīng)當(dāng)添加測線的數(shù)量，以減小測點的距離。測線距離的規(guī)劃與GPR 的天線功能也存在必定的聯(lián)系。雷達(dá)天線通?？煞譃椋簾o方向性天線和有方向性天線。前者同時向一樣的方向輻射能量，而有方向性天線以波瓣或波束的方式向外輻射能量，其主要輻射能量的波瓣稱之為主瓣。GPR 天線的主瓣寬度角一般可達(dá)90°[3]。由于測量距離的不斷擴(kuò)大，測量距離之間的盲區(qū)也將不斷地增加，探測盲區(qū)的面積也隨之增加。測線間距為L，天線主瓣寬度角為θ，探測盲區(qū)中最大深度為H，則有如下關(guān)系：由上式可知，當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深較淺時，測線間距也應(yīng)減小。地下管線不同于其他探測目標(biāo)，它截面大小固定、體型上呈細(xì)長狀，這些特點更有利于探測，因此在測線間距選取方面也可適當(dāng)放寬，以減少探測數(shù)據(jù)，從而大大提高作業(yè)效率。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種用于評估并分析地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)。地下雷達(dá)探測以地下介質(zhì)在介電性方面的差異為依據(jù)，通過天線發(fā)射或接收高頻電磁波信號的方式，利用工作軟件處理所接收信號并成像，從而幫助工作人員得到相應(yīng)探測結(jié)果。應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行地下管線探測的基本原理如圖1 所示[4]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)進(jìn)行地下管線探測的基本原理

在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行地下管線探測作業(yè)的過程中，最基礎(chǔ)的操作過程是：由放置于地面的天線面向地下等待測量的地點發(fā)出高頻率電磁脈沖信號，在高頻電磁脈沖信號于地下空間內(nèi)進(jìn)行傳播的過程當(dāng)中，若遭遇相對介電常數(shù)不同（及有不同電性表現(xiàn)）的界面時，高頻電磁脈沖信號中一部分透射界面并繼續(xù)向地下空間其他區(qū)域進(jìn)行傳播，而另一部分信號則在該位置直接反射會地面，由地面所安裝接收天線進(jìn)行接收并記錄至主機(jī)中。在這一操作過程當(dāng)中，若地下介質(zhì)波速已知或地下探測空間中介質(zhì)的相對介質(zhì)常數(shù)已知，則可以根據(jù)所測定反射波自發(fā)射天線發(fā)出至接收天線接受耗時（以下定義為t）的具體結(jié)果，計算所地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)所探測物體的埋深以及具體位置。在這一過程當(dāng)中，假定T 為發(fā)射天線，R 為地面接收天線，H 為地下管線目標(biāo)體頂部埋設(shè)深度，r 為電磁波雙程走時，則可建立如下所示關(guān)系，如式（2）所示。

式（2）中，定義屏蔽式發(fā)射體現(xiàn)為t，接收天線為r，兩者距離為x，若兩者距離高度相近，即在x 無線趨近于0 的情況下，可將式（2）轉(zhuǎn)換為式（3）：

根據(jù)式（3），若電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v 處于已知狀態(tài)，并且電磁發(fā)射博的走時的t 可以加以準(zhǔn)確計算，則就能夠通過以上方式得到待測定目標(biāo)物體的深度取值[5]。

3 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用價值

3.1 分辨率高

在探測埋在地下的管線的實際過程中，要想有高分辨率而且地下管線分布情況的圖像有高清晰度，那么采用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)則能夠滿足要求，能夠馬上了解地下管線的實際情況，在準(zhǔn)確的探測圖像的輔助下展開科學(xué)有效的設(shè)計施工作業(yè)，強化地下管線設(shè)計質(zhì)量，并更好的為地下管線正式施工提供服務(wù)，保障地下管線鋪設(shè)的安全性與可靠性[6]。同時，依托于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)所提供的高分辨率圖像，當(dāng)測試整個城市底線管線分布的時候，具有重要的積極作用，支持對城市建設(shè)水平的綜合評定與分析[7]。

3.2 準(zhǔn)確可靠

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的準(zhǔn)確性高，在應(yīng)用地下管線探測的過程中呈現(xiàn)出了連續(xù)性的特點，確保所探測地下管線分布數(shù)據(jù)狀態(tài)的完整性與動態(tài)性。地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)是對介質(zhì)以及幾何形態(tài)的分析來測量地下管線，以改變電磁場強度以及波形特征，使功能、形態(tài)以及性質(zhì)存在差異的地下管線能夠通過地質(zhì)雷達(dá)探測圖像所呈現(xiàn)出來，給工作人員在對選取地下管線時最優(yōu)的方案提供理論依據(jù)，從而保證管線高質(zhì)量鋪設(shè)，并為后續(xù)針對地下管線的高精度探測提供指導(dǎo)。

3.3 快捷無損

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在淺層分布探測目標(biāo)中有良好的適用性，檢測過程安全且缺損[8]。整個檢測過程中，通過對高頻寬譜無損電磁波的發(fā)射與接收，來辨別被探測區(qū)域中地下介質(zhì)的分布情況，也可在現(xiàn)代化互聯(lián)網(wǎng)輔助技術(shù)的支持下，轉(zhuǎn)移至地面進(jìn)行探測，發(fā)揮地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)高速反射的功能優(yōu)勢，方便相關(guān)工作人員更為及時與準(zhǔn)確的掌握地下管線分布情況，及時對安全隱患進(jìn)行識別與防控，以促進(jìn)地下管線探測質(zhì)量與探測效率的進(jìn)一步提升與優(yōu)化[9]。

4 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在地下管線探測中的應(yīng)用實例

在地下管線探測過程中，工作人員首先需要對探測區(qū)域內(nèi)的地下管網(wǎng)資料進(jìn)行收集與整理，展開實際調(diào)查，安排專人進(jìn)入地下管線探測區(qū)域現(xiàn)場，找到地下井口，然后打開井蓋多拍幾張照片、測量一下深度、做好記錄等。然后，如果現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電力管線或者金屬管，應(yīng)當(dāng)在愛地下管線儀器輔助下進(jìn)行電磁感應(yīng)探測。而針對非金屬性管道，或埋藏深度較深、管徑較大的金屬材質(zhì)管線，則以應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用通過地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行探測。在當(dāng)前工程實踐領(lǐng)域中，針對地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的應(yīng)用多采用等間隔測點剖面測試的方法，當(dāng)清楚了探測的地線管線的走向和位置之后，選擇合適的位置進(jìn)行測線，標(biāo)注出詳細(xì)的測量位置，并與目標(biāo)管線走向保持垂直狀態(tài)確定探測剖面方向。針對存在轉(zhuǎn)折或分支的地下管線，在地質(zhì)雷達(dá)探測過程中需要沿管線不同方向以及分支方向合理布置測線，在明確管線具體走向以及位置后經(jīng)交匯法處理，實現(xiàn)對現(xiàn)場探測特征點的合理定位[10]。

例如，受到建設(shè)場地施工因素影響，導(dǎo)致地下管線系統(tǒng)中部分污水沉井井蓋被掩埋，為確保施工質(zhì)量，及時進(jìn)行疏通，要求工程人員快速且準(zhǔn)確定位地下污水沉井井室位置。為達(dá)到這一目標(biāo)，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)對施工現(xiàn)場進(jìn)行探查。使用100.0MHz 的天線時，窗取樣的長度取值為200.0ns，疊加64 側(cè)，測點距為0.02m，所得到地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果。在指數(shù)增益模式處理后，所生成地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果中剖面8.0m 位置可見一組明顯異常信號，信號表現(xiàn)為單邊雙曲線性反射波異常信號。對該信號進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換處理后，異常反射波信號首次出現(xiàn)在1.3m 深度區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果將其定位為地下污水沉井井室位置[11]。

5 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)是一種采用了高頻率的高寬度的電磁波地下管線探測技術(shù)，可以作為地下淺層深度的測量手段，具有分辨率高、準(zhǔn)確可靠、安全無損、快捷連續(xù)等一系列優(yōu)勢，在地下管線探測領(lǐng)域中具有非常確切的應(yīng)用價值。本文是在分析地質(zhì)雷達(dá)探測過程中的原理的基礎(chǔ)之上，全面論述地址雷達(dá)在測量地下管線過程中的優(yōu)勢，認(rèn)為在地下管線探測領(lǐng)域中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)表現(xiàn)出了包括分辨率高、準(zhǔn)確可靠以及快捷無損3個方面的優(yōu)勢，最后講述在地址雷達(dá)的實際應(yīng)用的過程，希望可以引起業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注。