地下管線探測中探地雷達技術應用研究

范亞男

(天津市測繪院，天津300381)

一、引 言

探地雷達作為一種無損的探測設備，其在工程測量領域的應用逐漸增多，高速公路、鐵路路基檢測，考古發(fā)掘探測及隧道內(nèi)部探傷等各項工程探測都使用探地雷達技術作為主要探測手段［1］。近年來，探地雷達也在全國多個省市的地下管線普查中成為必不可少的探測設備，扮演著越來越重要的角色，為解決地下管線探測難題提供了新的方法。本文結合探地雷達在天津市城區(qū)地下管線探測中的應用，對其探測方法和效果進行了探討，從而為城市地下管線探測提供了實際可用的經(jīng)驗。

二、地下管線探測現(xiàn)狀

1．城市管線鋪設情況

隨著我國許多城市的不斷發(fā)展和擴張，作為城市居民主要生活配套的各類管線的鋪設規(guī)模越來越大，城市道路路面下管線也越來越密集，為城市發(fā)展提供服務的地下管線測繪工作也顯現(xiàn)出更為重要的作用［2］。以天津市中心城區(qū)為例，其各條主干道均鋪設有電力、通信、天然氣、自來水、排水、熱力等各類生活配套管線。隨著市區(qū)房地產(chǎn)項目的開發(fā)，道路上鋪設的管線數(shù)量越來越多、管線的管徑越來越大、管線的走向也越來越復雜，對城市管線探測提出了更高的要求，特別是近年來非金屬材質(zhì)管線的鋪設為管線探測帶來了新的難題，見表1。

表1 天津市城區(qū)主要地下管線相關參數(shù)

2．常規(guī)地下管線探測方法

在城市地下管線探測中，電磁法是最常用的地下管線探測方法，對應的管線探測儀比較常用的有雷迪RD8000、里奇SR-20等型號，一般由發(fā)射機和接收機兩部分組成。電磁法探測地下管線的原理是通過發(fā)射機在目標管線上加載電流，然后利用接收機在目標管線上方感應磁場產(chǎn)生電流信號，根據(jù)電流的強弱來判斷管線的位置和埋深等信息，在目標管線上加載電流可以采用直連法、感應法和夾鉗法等，一般需根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用不同的方法來探測管線［3］。

電磁法探測管線需要在目標管線上加載和傳遞電流，因此要求目標管線需是金屬等導電材質(zhì)，而對于非金屬管線來說，它不具備導電的性質(zhì)，使用電磁法探測就失去了效果。隨著城市非金屬材質(zhì)地下管線的鋪設越來越常見，傳統(tǒng)的金屬管線探測儀已不能滿足地下管線探測的要求，而探地雷達技術作為新的探測手段，能夠完成非金屬管線的探測工作，彌補了金屬探測儀的不足。

3．探地雷達原理及應用

(1)探地雷達原理

探地雷達一般由便攜式計算機、主機、天線、電源及其他附件組成，通過天線發(fā)射和接收高頻電磁波信號，然后經(jīng)過主機的處理，由便攜式計算機將結果顯示出來，如圖1所示。探地雷達所發(fā)射的高頻電磁波信號由緊貼地面的發(fā)射天線發(fā)出后，穿過土壤等介質(zhì)到達目標管線時，因土壤和管線材質(zhì)的導電性存在差異，部分電磁波信號會被反射至地面被天線接收，然后雷達主機將天線接收到的信號處理后以圖像的形式顯示出來，即可以根據(jù)圖像來判斷目標管線的位置等信息［4］。

圖1 探地雷達的組成單元

(2)探地雷達用于管線探測

①探測方法

探地雷達探測地下管線前首先需要搜集目標管線周圍的管線資料，依據(jù)現(xiàn)有資料對目標管線位置進行初步判斷;然后需要在目標管線疑似位置布設合適的測線，在各條測線上采集探地雷達探測的數(shù)據(jù);最后依據(jù)探測得到的圖像對目標管線的位置和埋深進行判斷。

在布設測線時，測線方向應垂直于目標管線的可能走向，測線長度以覆蓋目標管線可能的分布位置為宜，至少應包括目標管線兩側各2 m范圍。測線位置應選擇在平坦地面上，地面無金屬物和障礙物，盡量選擇泥土及方磚地面，避開瀝青地面。測線應布設多條，若探測結果已可準確判斷目標管線，則無須更多測線，如果探測結果不能確定，則需布置多條鄰近測線進行綜合判斷，如圖2所示。

②管線位置及埋深判斷

以如圖3所示對應的管線為例，目標管線的平面位置即為該圖像上拋物線的最高點所在位置，在探測時，遇到的多為圓柱形管線，當探地雷達經(jīng)過圓柱形管線時，電磁波的回波信號呈現(xiàn)為拋物線的形狀，管線的中央位置離地面距離最近，因此拋物線的頂端所在位置即為管線位置。另外，管線的埋深也取決于拋物線最高點對應的深度，但探地雷達圖像上縱軸一般對應的是電磁波信號傳遞的準確時間，還需準確判斷電磁波在目標管線周圍土壤等介質(zhì)中的傳播速度才可獲取管線的準確埋深，但往往土壤中的介質(zhì)是不均勻的，電磁波在其中的傳播速度也沒有統(tǒng)一的計算模型。目前在實際探測工作中采用的方法一般為對比測量法，即先獲取目標管線附近已知埋深為hi的管線的雷達圖像，然后通過如下公式計算目標管線的準確埋深

式中，ti表示已知管線在探地雷達圖像上對應的傳播時間;H為目標管線的埋深;T為目標管線對應探地雷達圖像上的傳播時間。

圖2 探地雷達布設測線位置

圖3 目標管線的探地雷達圖像

4．探地雷達探測實例

(1)有效案例

探地雷達用于地下管線探測效果的好壞取決于目標管線所在位置的土壤環(huán)境，因此并非所有的探測都能取得較好的效果。如圖4所示為天津市某路段探地雷達的探測結果，該圖像明顯表示出了各管線所在的位置，拋物線的特征明顯。經(jīng)與已有資料比對和現(xiàn)場勘查，圖中所標記的拋物線特征對應的是現(xiàn)場聚氯乙烯(PVC)材質(zhì)的中水管線，天津市大部分中水管線為PVC材質(zhì)，使用金屬探測儀無法對其進行探測，但是使用探測雷達就能夠很好地獲取其位置和對應的埋深，探地雷達對解決非金屬管線的探測難題是有效的。

圖4 某道路上管線的探地雷達圖像

(2)無效案例

通過多次的探測實踐，筆者發(fā)現(xiàn)探地雷達在一些情況下效果是不明顯的。如圖5所示，該探地雷達圖像是在夏季的旱地中采集的，現(xiàn)場實際存在一條埋深為1．8 m，管徑為2 m的排污管線，在確定探地雷達不存在故障的前提下，經(jīng)多條測線的重復探測，探測結果始終如圖5所示，沒有明顯的回波信號，無法判斷管線所在位置，探地雷達失去了效果。據(jù)分析，因此時旱地中土壤含水量較高，且比較疏松，其對電磁波的吸收比較明顯，探地雷達天線無法接收到目標管線反射的電磁波信號，導致無法從對應圖像中判斷目標管線位置?？梢姡寥拉h(huán)境對探地雷達的探測效果會有較大影響。

圖5 旱地中采集的探地雷達圖像

5．土壤含水率對探地雷達探測效果影響

通過對探地雷達無效案例的分析，筆者發(fā)現(xiàn)土壤的含水率的大小決定了探地雷達探測管線的效果，含水量較高的土壤或是在雨量較多的季節(jié)，探地雷達探測管線的效果較差，不易獲取目標管線的有效信息。反之，土壤較為干燥的情況下，其對電磁波的吸收較少，探地雷達的效果較好。

探地雷達發(fā)射高頻電磁波進行探測時，土壤等介質(zhì)的對電磁波的吸收系數(shù)β與電導率σ成正比［5］，即

若管線所在土壤等介質(zhì)的介電常數(shù)εγ不變，當電導率σ增大時，土壤等介質(zhì)對電磁波的吸收系數(shù)β就會同步增大，那么探地雷達發(fā)射的電磁波在被接收天線接收之前就可能已經(jīng)全部被土壤吸收，無法達到探測管線的目的。而土壤的電導率又與土壤含水量有著如圖6所示的線性關系［6］，當土壤含水率在一定范圍內(nèi)增加時，土壤的電導率同步增加，導致土壤對電磁波的吸收系數(shù)也增長，因此含水率較高的土壤對電磁波的吸收較為明顯，探地雷達的探測效果較差。

圖6 土壤含水率ηw對其電導率σ的影響

若管線所在土壤等介質(zhì)的電導率不變，當其介電常數(shù)較小時，對電磁波的吸收就較強，探測效果就不明顯;當其介電常數(shù)較大時，對電磁波的吸收就較弱，探測效果就較為明顯。表2為各常見介質(zhì)的介電常數(shù)，因瀝青的介電常數(shù)較小，其對電磁波的吸收較強，因此在使用探地雷達進行管線探測時，應避開瀝青路面布設測線。

表2 常見介質(zhì)介電常數(shù)

三、結束語

探地雷達作為一種輕型、便攜、無損的探測設備，將其用于城市地下管線探測是可行的，可以有效獲取目標管線的位置及埋深。同時，在天津市城區(qū)常見的探測環(huán)境下，影響探地雷達探測效果的主要因素是土壤的含水率，含水率較高的土壤對探地雷達電磁波的吸收較強，探測得到的雷達圖像不能明顯反映目標管線的信息。因此在實際探測工作中，除了采用正確可行的探測方法，還應該選擇土壤環(huán)境較好的地段獲取數(shù)據(jù)，并與其他探查手段配合使用，對目標管線的信息加以綜合判斷，得出準確的結果。

［1］ 王佳，謬愛偉．地質(zhì)雷達在復雜公路探測熱力管線的研究及應用［J］．城市勘測，2013(5):164-167．

［2］ 黃志洲，戴相喜，陶書竹．城市地下管線信息化建設思路探討［J］．城市勘測，2012(4):35-38．

［3］ 李鳳之．地下管線探測方法技術與探測隊伍施工組織［J］．測繪通報，2013(S1):83-85．

［4］ 湯博．瑞典MALA探地雷達在管線探測中的應用［J］．城市勘測，2015(1):95-97．

［5］ 錢榮毅，王正成，孔祥春，等．探地雷達在非金屬管線探測中的應用［J］．市政技術，2004，22(5):327-329．

［6］ 孫宇瑞．土壤含水率和鹽分對土壤電導率的影響［J］．中國農(nóng)業(yè)大學學報，2000，5(4):39-41．