城市地下管線探測中物探技術(shù)的應(yīng)用

黃東海

（廣州科測空間信息技術(shù)有限公司，廣州 510630）

1 引言

物探技術(shù)作為城市地下管線探測的主要技術(shù)手段，從原理角度來看，國內(nèi)外將此項技術(shù)分為波動場方法、諧和場方法和感應(yīng)場方法，常用技術(shù)手段有地震散射波法、超聲導(dǎo)波檢測法、地質(zhì)雷達(dá)法等。其中，地質(zhì)雷達(dá)法運(yùn)用高頻電磁波對地下物體進(jìn)行探測，一旦遇到探測目標(biāo)，將立刻產(chǎn)生反射訊號，通過接收天線輸入接收機(jī)，最后由示波器將放大后的信息直觀展示出來，不僅能夠判斷探測區(qū)域是否存在被測目標(biāo)，還可以根據(jù)滯后時間、平均反射波速計算探測目標(biāo)距離。

2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)原理及應(yīng)用條件

2.1 技術(shù)原理

對于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)而言，其實(shí)現(xiàn)地下探測的關(guān)鍵在高頻電磁波，通過發(fā)射機(jī)發(fā)射的天線向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射頻率范圍為12.5～1200 MHz、脈沖寬度為0.1 ns 的脈沖電磁波訊號，當(dāng)探測過程中遇到探測目標(biāo)時，將產(chǎn)生反射訊號，由接收天線接收，并傳輸至接收機(jī)[1]。此時，可根據(jù)示波器有無反射訊號、發(fā)射波雙程旅行時間、電磁波傳輸速度做出準(zhǔn)確判斷，并通過數(shù)據(jù)計算得到被探測物的地下深度，進(jìn)而確定位置。計算公式為：

式中，D 為地層深度，m；V 為電磁波波速，m/s；Δt 為發(fā)射波雙程旅行時間，s。

除此之外，電磁波傳播的走時計算公式為：

式中，t 為電磁波脈沖旅行時間，s；z 為埋深，m；x 為天線間距，m。受介質(zhì)影響，電磁波波速公式為：

式中，c 為真空環(huán)境下電磁波波速，約為0.299 79 m/ns；εr為介質(zhì)相對介電常數(shù)；μr為介質(zhì)相對磁導(dǎo)率，一般情況下約等于1。

地質(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)城市地下管線探測的原理為：目標(biāo)物與均勻介質(zhì)之間在參數(shù)條件方面存在差異，包括磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等，致使有無反應(yīng)物下的反射波回波數(shù)據(jù)存在不同，故可通過對雷達(dá)波強(qiáng)度、幾何形態(tài)、波形進(jìn)行分析的方法對目標(biāo)物相關(guān)信息進(jìn)行判斷，推測城市地下管線的平面位置和埋深。

2.2 應(yīng)用條件

一般情況下，城市道路路面材料為瀝青或水泥，下部土層大多為回填土，夾雜塊石和建筑垃圾，部分道路為改建工程，地下往往殘留原建筑垃圾，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探測城市地下管線時，路面材料、下部土層、原建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成分的差異性容易引起地下介質(zhì)極不均勻現(xiàn)象，給技術(shù)實(shí)施造成影響。

發(fā)射波于土層中的速度范圍在0.08～0.095 m/ns。介電常數(shù)方面，土層與金屬管線、非金屬管線均具有差異，當(dāng)電磁波探測到金屬光線后會發(fā)生全反射，管道內(nèi)無反射，電磁波波速為0；非金屬管線主要為塑料、鋼筋混凝土等，內(nèi)部多為氣體、水體，其中，混凝土和各水土層介電常數(shù)分別在5～7 和10～15范圍內(nèi)，與周圍土質(zhì)明顯不同，這些差異的存在正是運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測地下管線的地球物理前提條件。

電磁波傳播時，介質(zhì)不同，其最終呈現(xiàn)的現(xiàn)象也存在差異，即折射、反射、衍射等。介質(zhì)的介電常數(shù)小意味著其具有波速大的性質(zhì)，介電常數(shù)大意味著其具有波速小的性質(zhì)，當(dāng)電磁波從波速大的介質(zhì)進(jìn)入波速小的介質(zhì)時，呈現(xiàn)的反射系數(shù)為負(fù)，反則為正。通常狀況下，金屬管線為全反射，振幅強(qiáng)，而非金屬反射較弱。

3 實(shí)例分析

為增強(qiáng)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用分析實(shí)踐性，故選取某金屬管道工程和非金屬管道工程來分別探究地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。

3.1 廣州市地下管線探查精度要求

地下管線探測是城市地下空間管理、城市整體規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)工作，目前，廣州市地下管線普查采用綜合解析法等內(nèi)外一體化作業(yè)方式，實(shí)行動態(tài)、信息化管理模式。其中，地下管線探查精度如表1 所示。

表1 地下管線探查精度

3.2 金屬管道實(shí)例分析

3.2.1 項目簡述

項目為輸水管廊和道路提升工程，全長6.3 km，已有資料現(xiàn)實(shí)某路口位置下方存在供水管，管徑2400 mm，材質(zhì)鑄鐵，在已知大致平面位置的前提下采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)精確其埋深和具體位置。

3.2.2 技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)有資料，該管線埋深較大，地面雷達(dá)探測無法準(zhǔn)確獲取相關(guān)信息，因而采用空中雷達(dá)方法，運(yùn)用孔內(nèi)雷達(dá)通過單孔反射方式進(jìn)行探測，一旦電磁波訊號遇到介電差異物質(zhì)，其產(chǎn)生的反射波將被接收機(jī)有效接收，依托于雙孔交會實(shí)現(xiàn)供水管埋深、位置的精準(zhǔn)判斷。每組鉆孔以目標(biāo)管線為基準(zhǔn)按中心對稱方式設(shè)計分布，鉆孔部署如圖1 所示。

圖1 鉆孔部署示意圖

3.2.3 探測成果

以ZK1 和ZK2 為例，首先圍繞ZK1 開展孔內(nèi)雷達(dá)探測作業(yè)，發(fā)現(xiàn)存在異常反應(yīng)，且距離地面深度8 m、距離鉆孔水平1.5 m 左右，記錄數(shù)據(jù)后開展ZK2 的孔內(nèi)雷達(dá)探測工作，同樣發(fā)現(xiàn)異常反應(yīng)，距離地面深度8.2 m、距離鉆孔水平1.4 m 左右。由于此項工程可以通過現(xiàn)有資料得到管線的大致平面位置，因而已有資料和探測資料的兩相結(jié)合，基本可以確定此為目標(biāo)管線。待完成各組鉆孔的孔內(nèi)雷達(dá)探測作業(yè)后，即可獲得管線具體信息。

3.3 非金屬管道實(shí)例分析

3.3.1 項目簡述

工程項目為城市河流供水管道擴(kuò)建項目，線路全長9 km，由于城市地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為不發(fā)生地下管線被破壞等事故，對供水管道兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)的地下管線分布情況進(jìn)行探測。

3.3.2 技術(shù)應(yīng)用

目標(biāo)區(qū)域地下管線豐富，存在給排水管道、部分工業(yè)管道、電力通信線等，其中，針對非金屬材質(zhì)的小管徑供水管道和排水管線采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)開展探測作業(yè)，此外，現(xiàn)存的金屬管道、電力通信線結(jié)合使用管線儀電磁感應(yīng)法探測。本次工程選用專業(yè)管線探測雷達(dá)，內(nèi)置雙頻雙通，屏蔽天線250 MHz+700 MHz，定位系統(tǒng)由外接GPS 和內(nèi)置測距輪組成，動態(tài)范圍大于或等于160 dB，脈沖重復(fù)頻率400 kHz，經(jīng)典采樣點(diǎn)數(shù)512 點(diǎn)/掃，一次掃描相當(dāng)于完成淺部和深部管線的分布探測。

部署測線時，應(yīng)把握技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)有：（1）選擇平整場地，保證貼地探測質(zhì)量，降低地面和天線間的耦合程度；（2）提前了解場地干擾因素，測線布置應(yīng)盡量避開；（3）開展實(shí)際探測作業(yè)前，大致了解目標(biāo)管線信息，主要是走向、平面位置，并使測線垂直于管線。

為保證探測結(jié)果質(zhì)量，本次工程立足于現(xiàn)有資料采取垂直于管道走向的方式布設(shè)現(xiàn)場測線，共68 條，分為兩個地點(diǎn)逐一開展雷達(dá)探測作業(yè)，落實(shí)濾波、時深轉(zhuǎn)換等一系列處理工作得到斷面雷達(dá)圖像，分析其呈現(xiàn)的反射電磁波特征對地下管線位置、材質(zhì)等信息進(jìn)行判斷。

3.3.3 探測成果

探測點(diǎn)1 的雷達(dá)探測圖像如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)探測圖像（探測點(diǎn)1）

本次工程中，經(jīng)過分析探測點(diǎn)1 的雷達(dá)圖像發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域管材為PVC 管，管頂埋深0.65 m 左右，管徑250 mm。為驗(yàn)證探測結(jié)果，采取開挖驗(yàn)證方法，在實(shí)際測量后發(fā)現(xiàn)管頂埋深實(shí)為0.71 m，誤差6 cm，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)下的探測結(jié)果精度滿足城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程要求。探測點(diǎn)2 處的地下管線為水泥管，管頂埋深1.25 m，管徑300 mm，采取同樣驗(yàn)證方法發(fā)現(xiàn)，管頂埋深實(shí)為1.36 m，誤差11 cm，精度符合要求。

4 總結(jié)與建議

作為廣泛應(yīng)用于在管道探測領(lǐng)域中的技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在地下金屬管道和非金屬管道的探測中均取得理想的應(yīng)用效果，不僅不受環(huán)境限制，操作簡單，還可以實(shí)時傳輸探測目標(biāo)的剖面及現(xiàn)場情況。根據(jù)上述工程案例，無論是金屬管道還是非金屬管道，均通過地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)準(zhǔn)確獲得地下管線埋深、分布、管徑等信息，這表明該物探技術(shù)應(yīng)用于城市地下管線探測工程中是可行的，給出的數(shù)據(jù)結(jié)果、探測結(jié)果滿足當(dāng)?shù)氐叵鹿芫€探測精度要求，能夠很好地解決城市地下管線探測難題。但同時，也應(yīng)做到以下建議：

1）作為一種有效探測城市地下管線的物探技術(shù)，總體來看具有探測效率高、適用場景多、操作簡單、分辨率高等特點(diǎn)，在實(shí)際探測項目中，應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有資料的作用，結(jié)合實(shí)際情況對地下金屬、非金屬管線進(jìn)行探測，從而獲得更為準(zhǔn)確的管道數(shù)據(jù)。

2）為進(jìn)一步提高地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的地下管線探測精度，可以結(jié)合使用其他方法進(jìn)行綜合探測，如三維探地雷達(dá)技術(shù)、孔中雷達(dá)探測技術(shù)等，根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整技術(shù)方法，尤其是埋深較大（大于5 m）、周遭土壤介質(zhì)較為濕潤的地下管線，從而不斷校正數(shù)據(jù)，優(yōu)化探測結(jié)果。

3）工程實(shí)例成果表明，地質(zhì)雷達(dá)更適用于埋深小、周圍干擾因素少以及非金屬材質(zhì)的地下管線探測場景。開展實(shí)際探測作業(yè)時，應(yīng)根據(jù)管線管徑、種類采用差異化頻率甜菜開展工作，以此高效探測地下異常體。外加現(xiàn)代城市地下管線分布多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在道路層狀界面、填土不均勻介質(zhì)等干擾下，可以采取開挖驗(yàn)證，從而減少探測失誤，提高技術(shù)精度。