探地雷達(dá)在城市地下管線探測(cè)中的應(yīng)用

王心貴

摘 要：掌握地下管道現(xiàn)狀，保障其數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)性，能夠?yàn)槌鞘幸?guī)劃建設(shè)，工程建設(shè)以及應(yīng)急救援等城管發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持?；诖耍瑥牡叵鹿芫€探測(cè)基礎(chǔ)理論方法方面，對(duì)現(xiàn)有的管線探測(cè)方法進(jìn)行分析與總結(jié)，進(jìn)一步結(jié)合某市的地下管線探測(cè)工程實(shí)例，探討電磁法、雷達(dá)法在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);城市地下管線;探測(cè);具體應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU459? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0120-03

0 引言

在城市道路的施工中，其沿線的地下管線探測(cè)是多見的檢測(cè)任務(wù)之一。城市道路地下管網(wǎng)使用的管線有非金屬管（混凝土管線、PVC管線）、金屬管線、等不同材質(zhì)，并且由于管線粗細(xì)不一、埋深深淺不一、地下介質(zhì)雜亂、含水不一等原因都會(huì)增大管線探測(cè)的難度，給施工過程帶來影響，稍有不慎挖斷管線不僅對(duì)城市交通造成嚴(yán)重的影響，還會(huì)給周圍居民生活帶來極大的困擾。鑒于此，給對(duì)探地雷達(dá)在城市道路地下管線探測(cè)中的應(yīng)用提出了一些建議，僅供參考。

1 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)屬于地球物理方法之一，主要通過天線對(duì)高頻電磁波進(jìn)行反射及接收的方式，對(duì)介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律及特性進(jìn)行探測(cè)，其英文總稱為“Ground Penetrating Radar”，簡稱“GPR”。GPR是近些年迅速發(fā)展起來的無損探測(cè)技術(shù)，具有高分辨及高效率的特征，是現(xiàn)階段處理非金屬管線探測(cè)困難最好的一種技術(shù)方式[1]。電磁波出現(xiàn)反射，對(duì)于反射回的電磁波，地面天線將對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理及分析，結(jié)合信號(hào)各方面參數(shù)對(duì)地下目標(biāo)的位置等進(jìn)行推斷，進(jìn)而全面且有效地探測(cè)地下管線。

2 探地雷達(dá)不同條件下的適用性分析

2.1 探地雷達(dá)方法試驗(yàn)

本次探地雷達(dá)探測(cè)試驗(yàn)工作，使用美國GSST公司生產(chǎn)的SIR-20探地雷達(dá)，根據(jù)區(qū)內(nèi)管線埋設(shè)特點(diǎn)天線采用的400 MHz高效屏蔽天線。探地雷達(dá)對(duì)本區(qū)內(nèi)DN100—DN500給水混凝土管、鑄鐵管及電信管塊進(jìn)行了試驗(yàn)[2]。經(jīng)過對(duì)已知的給水鑄鐵管、混凝土管及電信水泥管塊、塑料管塊的多處多點(diǎn)試驗(yàn)，做共試驗(yàn)剖面13條。結(jié)果顯示其混凝土管、電信水泥管塊、給水鑄鐵管、塑料管塊的管道上雷達(dá)異常較為明顯，但是燃?xì)釶E材質(zhì)管道在探測(cè)效果上表現(xiàn)為異常相對(duì)較弱，在介質(zhì)較均勻的地段經(jīng)數(shù)據(jù)處理，異常與管道的平面位置相對(duì)應(yīng)，能夠確定管道的平面位置和埋深。通過計(jì)算各點(diǎn)的已知埋深與電磁波走時(shí)，得出本區(qū)內(nèi)的電磁波波速為0.09 ～0.13 m/ns之間，則工作中采用了其平均波速。

2.2 參數(shù)選擇

2.2.1 波速

根據(jù)工作區(qū)各地段地下土層的不同，其波速也不同。在松散或富水的土層，其波速會(huì)相對(duì)低;在干硬或貧水的土層，其波速相對(duì)高。本工作區(qū)普查面積為80 km2，通過波速試驗(yàn)取其平均值投入工作。對(duì)其中一個(gè)區(qū)域取其試驗(yàn)點(diǎn)的平均值為0.110 m/ns，對(duì)于另一個(gè)區(qū)域取值0.117 m/ns投入工作。經(jīng)過驗(yàn)證，管線實(shí)際埋深與探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果相吻合，滿足精度要求，說明波速參數(shù)選擇正確。

2.2.2 天線中心頻率

探地雷達(dá)天線中心頻率的選擇需兼顧目標(biāo)深度、目標(biāo)最小尺寸以及天線尺寸是否符合場(chǎng)地需要。一般來說按公式（1）計(jì)算天線的中心頻率：

式中：ε為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，X為空間分辨率（單位m）根據(jù)本區(qū)管道埋深特征及檢測(cè)目的，選擇400 MHz高頻屏蔽天線。

2.2.3 時(shí)窗

時(shí)窗選擇的依據(jù)主要是最大探測(cè)深度dmax（單位m）與地層波速V（單位m/ns）。時(shí)窗W（單位ns）可按公式（2）計(jì)算：

式中：V為介質(zhì)中電磁波的傳播速度（單位m/ns），dmax為主要探測(cè)深度（單位m），根據(jù)本區(qū)管線埋深一般小于2 m，此次采樣時(shí)窗選為50～60 ns。

2.2.4 實(shí)地剖面

探地雷達(dá)探測(cè)時(shí)，盡量選在較為平坦的地段，這樣可會(huì)避免探測(cè)信息失真。垂直于管線走向布設(shè)探地雷達(dá)剖面方向，連續(xù)采樣時(shí)要?jiǎng)蛩偻七M(jìn)。

2.2.5 采樣間距

采樣間距根據(jù)工作性質(zhì)、目標(biāo)管徑大小、材質(zhì)等選則0.5 m和1 m采樣間距。

2.3 探測(cè)方案

在工作中為了更好推斷管線的平面位置，每條探地雷達(dá)探測(cè)剖面在特征點(diǎn)附近至少做3至4條探測(cè)剖面。并進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，以便能夠提取和分析較為可靠的管線異常，在探測(cè)過程中還要結(jié)合已有資料對(duì)比分析，做出合理的解釋。

2.4 結(jié)論及建議

因探地雷達(dá)在探測(cè)管線工作中表現(xiàn)效率不高的弊端，所以在遇到較大面積的探測(cè)工作不宜應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)做掃面工作。管道周圍介質(zhì)均勻、介質(zhì)與管體的介電常數(shù)差別較大時(shí)管道異常較好，剖面中圖像清晰明顯。管道周圍介質(zhì)不均勻（如建筑垃圾、石塊較多等），則介質(zhì)與管體的介電常數(shù)差別較小時(shí)管道異常較差，剖面圖像中目標(biāo)管體不清晰，有時(shí)無法分辨。在本區(qū)探地雷達(dá)主要應(yīng)用于天然氣的PE管、給水混凝土管等管道探測(cè)方面，同時(shí)對(duì)一些難點(diǎn)、疑點(diǎn)用其他方法不易解決的地段投入探地雷達(dá)工作[3]。此次分析給水鑄鐵管、混凝土管及電信水泥管塊、塑料管塊應(yīng)用探地雷達(dá)地質(zhì)差異明顯，效果較好，而燃?xì)釶E材質(zhì)管道應(yīng)用探地雷達(dá)異常較弱，但經(jīng)過進(jìn)一步處理，雷達(dá)異常與該管道位置基本吻合，能夠推斷管道埋深和位置。

3 城市道路地下管網(wǎng)探測(cè)的應(yīng)用分析

3.1 工程概況

某市地鐵某區(qū)間處于市區(qū)繁華地段。據(jù)市政圖紙與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，線路南側(cè)人行道下埋設(shè)有雨污水管、弱電管線及通信管線，車站范圍內(nèi)地下管線較多，主要包括：給水管、雨水管、污水管、市政路燈、燃?xì)夤?、熱力管、通訊（中國鐵通、廣電、燃?xì)夤?、電信、?lián)通），分布于線路兩側(cè)。南側(cè)有1根DN1200的雨水管，長度約122.326 m，該雨水管為混凝土管，埋深約3～4.65 m;1根污水管，長度約117.067 m，該管線為DN400的混凝土管管，埋深約3.56 m。北側(cè)有一根DN1200的雨水混凝土管，長度約137.4 m，埋深約3.69 m;1根污水管，該管線第1段為DN400混凝土管，長度約67.183 m，埋深約5.60 m，第2段為DN400的PVC管，長度約69.499 m，埋深約3.70 m。區(qū)間中央綠化帶沿線路方向布置的燃?xì)夤艿罏镈N300中壓管鋼質(zhì)燃?xì)夤芫€，東西走向，埋深1～1.2 m。市政路燈及管線位于北京西路兩側(cè)，據(jù)路邊0.8 m。通訊管線分布在道路兩側(cè)的人行道板下。本站范圍內(nèi)有通訊管線及供水管線改遷，車站沿線路范圍內(nèi)的部分管線埋深較淺，距離明挖區(qū)間較近，影響施工，施工階段須增強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

3.2 采集參數(shù)

因探地雷達(dá)探測(cè)天線中心頻率各不相同，造成其測(cè)深能力的不同，頻率低，探測(cè)深度大，分辨率低;頻率高，探測(cè)深度淺，分辨率高。本次數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置為：天線選擇中心頻率為100 MHz、250 MHz、500 MHz屏蔽型地面耦合天線;TIMEWINDOW分別為300 ns、100 ns、60 ns、SAMPLES為1024;DISTANCEINTERVAL設(shè)置為0.02 m。

3.3 資料解譯

探地雷達(dá)探測(cè)資料的評(píng)釋有兩部分內(nèi)容：一為數(shù)據(jù)處理，二為圖像解釋。圖形分析包括降低隨機(jī)噪音、壓制干擾，改進(jìn)背景噪音;通過增益的變化來補(bǔ)償或抑制原始波形，在通過去除低頻或高頻信號(hào)，來突出目標(biāo)體的特征，最后進(jìn)行背景噪音的去除和余振的影響。

3.4 探測(cè)成果

以雷達(dá)波的探測(cè)遠(yuǎn)離來分析，倘若兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異很大時(shí)，雷達(dá)波會(huì)經(jīng)歷不同的反射和衍射現(xiàn)象。實(shí)時(shí)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷達(dá)穿透地面并直接在目標(biāo)管上方探測(cè)時(shí)，介質(zhì)中電磁波的方向發(fā)生了顯著變化。對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以清楚地看到目標(biāo)線的雷達(dá)圖。

3.5 結(jié)論

使用探地雷達(dá)物探方法對(duì)城市道路地下管線探測(cè)的應(yīng)用，針對(duì)某市地鐵某線路建設(shè)項(xiàng)目，使用探地雷達(dá)物探方法對(duì)某區(qū)間地下管線情況探測(cè)，結(jié)論充分表達(dá)出該區(qū)間地下管線種類多樣，埋置深度不一，地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)探測(cè)分析圖指出的位置，可以較為準(zhǔn)確的找到地下管線，為城市道路規(guī)范安全、有效施工提供保障[4]。城市道路地下管線探測(cè)應(yīng)使用同一中心頻率雷達(dá)天線，然后更換不同采集參數(shù)的方式（如觸發(fā)方式、道間隔、疊加次數(shù)等）進(jìn)行對(duì)比測(cè)試;或者采用不同中心頻率的雷達(dá)天線，并重復(fù)探測(cè)來提高管線探測(cè)的準(zhǔn)確性。城市道路地下管線探測(cè)的結(jié)果分析應(yīng)采取多種分析方法，通過調(diào)整數(shù)據(jù)分析時(shí)的參數(shù)值來選取最優(yōu)的探測(cè)成果圖。城市道路地下管線探測(cè)，要充分利用設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)勘查、雷達(dá)定位等多種方式，可以極大的提高管線探測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 地下管線滲漏環(huán)境下探地雷達(dá)信號(hào)特征分析

本模型試驗(yàn)的目的是采集地下金屬管和PVC的滲漏前后的探地雷達(dá)剖面。

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如圖1所示。首先在顆粒較均勻和雜質(zhì)較少的砂土（某海灘）中，先后埋入一根長1.5 m，直徑同為0.16 m的PVC水管和金屬管。覆土層厚度0.35 m，并在水管頂部中點(diǎn)處留有直徑7 mm的滲漏孔。管道的一端與控制水箱連接，另一端通過彎管連通大氣。水箱底部與埋置后的管道高差為2 m，滲漏時(shí)水壓約為0.02 MPa。滲漏量為24升，滲漏過程耗時(shí)30 min。試驗(yàn)區(qū)域大小為1.5 m×2 m×1 m，采用中心頻率為900 MHz的天線，在滲漏點(diǎn)位置處沿垂直于管線方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)線長度約2.2 m，道間距為1 cm，每道信號(hào)的時(shí)窗為40 ns，采樣點(diǎn)為512。滲漏試驗(yàn)開始前用時(shí)域反射計(jì)測(cè)得試驗(yàn)場(chǎng)地滲漏孔附近砂子相對(duì)介電常數(shù)為3.8，電導(dǎo)率為6.2 mS/m，滲漏結(jié)束后開挖測(cè)得滲漏點(diǎn)附近砂子相對(duì)介電常數(shù)為16.4，電導(dǎo)率為38.4 mS/m。由于滲漏結(jié)束后，滲漏點(diǎn)附近處的水會(huì)受重力影響繼續(xù)下滲，開挖后滲漏點(diǎn)附近出砂子測(cè)得的介電參數(shù)與雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時(shí)的存在一定差異。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)采集到的雷達(dá)數(shù)據(jù)先后進(jìn)行零時(shí)校正，去直流，減背景，帶通濾波和包絡(luò)增益處理。首先，將探地雷達(dá)剖面的零時(shí)刻調(diào)整到砂地表面。然后，取每道數(shù)據(jù)中15～40 ns的振幅平均值作為信號(hào)的直流分量，進(jìn)行去直流處理。再通過減去整個(gè)雷達(dá)剖面的振幅平均值來去除背景雜波。接著進(jìn)行帶通濾波，上、下截止頻率分別為1 200 MHz和500 MHz。

最后對(duì)剖面的每一道數(shù)據(jù)做希爾伯特變換取包絡(luò)，進(jìn)行包絡(luò)疊加獲得剖面整體的包絡(luò)線，歸一化后取倒數(shù)作為增益曲線進(jìn)行增益。含水PVC管和金屬管滲漏前后的雷達(dá)圖像預(yù)處理結(jié)果。由于電磁波能穿透PVC管道，在PVC管滲漏前的雷達(dá)圖像中能看到管道頂部和底部的雙曲線反射，金屬管滲漏前的雷達(dá)圖像中只能看到管道頂部反射。兩種管道滲漏后的雷達(dá)圖像中都可以觀察到震蕩信號(hào)且能量明顯增強(qiáng)，震蕩信號(hào)可以作為識(shí)別管道滲漏的重要圖像特征。

5 結(jié)語

針對(duì)目前地下管線滲漏的探地雷達(dá)震蕩信號(hào)形成機(jī)理尚不清晰的問題，利用模型試驗(yàn)采集砂土中PVC管和金屬管滲漏前后的雷達(dá)信號(hào)，研究主要結(jié)論如下：

地下水管在滲漏后會(huì)在水管周圍形成與滲漏區(qū)外土體介電參數(shù)相差較大的濕潤區(qū)，濕潤區(qū)存在一定分層狀態(tài)，越接近滲漏點(diǎn)的土壤含水飽和度越高。電磁波在管線滲漏區(qū)傳播過程中存在更多界面反射和界面間的多次波，管道的反射也會(huì)在濕潤區(qū)產(chǎn)生多次波，使得雷達(dá)圖像出現(xiàn)復(fù)雜的震蕩信號(hào)。

PVC管滲漏后，滲漏區(qū)反射，管道反射，多次波與在管道底部出射后繞PVC管傳播的爬行波相互疊合，能量增強(qiáng)，形成雷達(dá)圖像中管道頂部和管道底部反射下方復(fù)雜的震蕩信號(hào)。金屬管滲漏后，能明顯看到管道與滲漏區(qū)間的多次反射。

在實(shí)際地下管線探地雷達(dá)探測(cè)中，對(duì)于PVC管道，若雷達(dá)圖像中出現(xiàn)多次規(guī)則的震蕩的信號(hào)，則該管線為含水管道。若多次震蕩信號(hào)雜亂且部分區(qū)域能量增強(qiáng)則該管道周圍可能存在濕潤區(qū)和滲漏點(diǎn)。對(duì)于金屬管道，若雷達(dá)圖像中存在多次波，則該管道周圍可能存在濕潤區(qū)和滲漏點(diǎn)。在以后的工作中可以根據(jù)地下水管滲漏前后雷達(dá)圖像在滲漏區(qū)域的信號(hào)差異，由水管滲漏產(chǎn)生的典型震蕩信號(hào)特征定位滲漏點(diǎn)。并通過分析爬行波和管道反射間的延時(shí)，有望估計(jì)管道直徑和管道周圍土體的介電常數(shù)。

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