地质雷达在城市管线探测中的应用

地质雷达在城市管线探测中的应用

1 引言

由于近年来城市建设的飞速发展，城市地下管线探测越来越重要 ，由于大量非金属管线的广泛应用以及管线间距的变小，使用传统的金属管线仪已无法完全满足现有的管线探测需要 ，所以近年国内引入了地质雷达这项新技术。利用雷达探测管线能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等情况，为施工或管理提供可靠参数。

目前我国城市建设发展迅速,城市地下管道纵横交错,地下管道维修与改建工作变得十分复杂，有效地探明地下管道显得越来越重要。在地下管道建设中,探明地下管道的分布,一直是人们所关注的重点，传统探测方法已无法适应目前发展需要,人们开始寻找一种理想的探测方法，探地雷达作为一种高分辨探测技术,可以对深浅地质问题进行详细填图和对地下目标体进行无损探测等。近些年来,随着更加先进、轻巧的新型探地雷达系统的出现,探地雷达(GPR)技术在地下管道探测中的应用日益扩大，我国对探地雷达方法及其应用也开展了大量的研究与实际应用,应用领域已涉及水、工、环等方面的地球物理勘察工作中,有大量的研究成果在有关专业期刊与学术会议上发表.中国地质大学王惠濂、李大心等人率先在这一领域开展了大量的研究工作中南工业大学的科研人员采用瑞典地质公司(SGAB)生产的RAMAC便携式探地雷达,在地下管道探测方面也开展了大量的现场测量工作。

2 工作方法原理

地质雷达是以地下各种介质的电阻率和介电常数差异为物理条件，通过向地下发射高频电磁波探测地下介质分布的无损探测仪器。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射 50kHz 1O00kHz的大功率脉冲高频电磁波 ，当电磁波遇到不同的电性界面时 ，就会发生反射、透射及折射，当地下介质间的电性差异越大 ，反射回波的能量也就越大，反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后 ，精确记录下反射回波的时间、相位 、振幅 、波长等参数，再通过信号叠加放大、滤波、图像合成等数据处理后 ，获得地下剖面的扫描图像 ，对雷达图像的识别 ，可以得到地下管线的分布位置和状态。 3 地下管线的雷达波特征

3.1 无线管时的雷达波特征

当地下介质完整 ，没有电性差异时 ，雷达波根本不发生反射或发生能量很弱 ，但地下往往是层状介质 ，比如道路自上而下有沥青层、回填层、原土层等 ，这些层状介质都不同程度地存在着电性差异 ，因此也会产生发射波 。此外道路下局部还存在着如废弃的金属、砖块、瓦砾等障碍物 ，都会产生发射波。一般来说，但层状介质，障碍物等的雷达波图像与管线的雷达波图像是有明显区别的。具体表现为，管线异常在雷达图像上反映的是一条平滑的多层双曲线，可根据这一异常特征来判定管线是否以及管线的位置、深度。层状介质的雷达波图像为水平状或倾斜状，而障碍物的雷达波图像则比较杂乱。如图1为无地下管线的雷达

波图像，图中反射波图像主要为水平层状特征，局部有障碍物发射特征，未见“弧形”的地下管线反射波图像特征。

图1 无管线的雷达波图像

3.2 金属管线的雷达波图像

在雷达图像中，由于金属管线的电性（介电常数及电导率）与道路下土层的电性存在较大差异，因此管线顶部的反射波信号较强，如图2、图3所示，上水管、煤气管均为金属管线，雷达波图像表现为“白色”，表示反射信号强。此外，由于管径较大，所以“弧形”宽度较宽。

Φ800mm的煤气管雷达波图像

Φ1000mm的煤气管雷达波图像

3.3 非金属管线的雷达波图像

非金属管线一般为混凝土管、PVC塑料管等，其导电性差，而道路下土层中通常含地下水，因此地下土层的电导率相对非金属要明显低，当遇到发射波时，非金属管线也会产生明显的反射波，不过一般情况下，其反射波强度要比金属管线弱，如图4所示为Φ1000mm雨水管（混凝土）的雷达波图像，“弧形”特征较为明显，但反射波强度比图2的上水管明显要弱。这也是区分金属管、非金属管的一个参数。

图4 Φ1000mm的非金属管雷达波图像

3.4 相距很近的两条平行管线的雷达波图像

我们知道，管线探测仪对相距较近的两条平行管线往往难以区分，在没有已知资料的情况下，通常被认为是一根管线，管线平面位置是两条平行管线的中间位置，这样就会给工程建设造成损失。对于相距较近的平行管线，地质雷达可以发挥不可替代的作用。如图5所示两条相距很近的雷达波图像，左侧为顶深0.7m

的雨水管，右侧围顶深1.4m的煤气管，两者中心相距0.8m，从图像中可以明显区分为两条管线，并且左侧管线反射波较弱，可判定为非金属管线，右侧管线的反射波较强，可判定为金属管线。

原因就是 ，管线探测仪的发射机 、接收机通常有10m以上的距离 ，接收机接收的是感应 电磁 波 ，感应 电磁波对相距较近的金属管同时接收 ，因此难以分辨。而地质雷达发射、接收同步进行 ，它只接收管线顶部的反射波，因此能够区分相距很近的地下管线，同时也能够定性区分管线性质。

图5 相距很近的两条管线的雷达波图像

3.5 管线位置、深度确定

根据场地内的地电条件、工作环境以及工作经验，设定采样时间，触发间隔、雷达波速参数。管线深度确定与雷达波速有关，管线顶深h为：

V·Th= 2

式中，v为雷达波速(可根据经验或已知管线的埋深测量后得到 )；T为雷达波反射时间(可从雷达波图像中读出)。根据上述公式可确定管线的顶深。平面位置通过在地面设定标记获得，因为“弧形”顶点就是管线的平面位置。

4 结语

地质雷达可以探测地下管线 ，并且可以弥补管线探测仪只能探测金属管线 、对相距很近的平行管线无能为力的不足 ，因此地质雷达在管线探测中可以发挥越来越重要的作用。但地质雷达的效率较低 、成本较高，只能在重点地块及管线仪无法解决的地块开展工作。