探地雷達地下管網檢測＊

楊 珍，程 琛，張俊杰，姜 升，魏明強

（西北民族大學，甘肅 蘭州 730100）

城市地下管線是包括給排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業管道及其附屬設施,在我國各城市中分布縱橫交錯,不僅為城市的正常運行提供強有力的保障,還可以為城市傳遞各類能源物質,被稱為整座城市的"生命線"。在城市建設中，地下管線是不可或缺的,因此其中的地下管線分布情況就顯得特別重要。

城市地下管線分布狀況不明確,建設施工時經常由于地下管線走向和深度不明導致施工方進行施工時挖斷供水、供氣、熱力、電力等各種管線的情況,這給城市的運行及發展帶來諸多不便。

地下管網屬于地下隱蔽工程,其特點是規模大、分布范圍廣、種類多、空間分布復雜、容易隨著時間的增長發生較大的變化；而且常規的檢測手段無法檢測出地下管網詳細分布情況。當前國內主要采用探地雷達法、電磁法以及機械式勘測法對地下管線進行檢測,考慮到適用范圍、勘測效率以及外界干擾等因素。本項目采用探地雷達法。探地雷達的無損檢測技術的特點不僅包括高效性、高精度,而且成像十分迅速,能得到明顯的波形圖,直觀的反應地下管線結構。

1 檢測場地概況

1.1 檢測概述

檢測場地位于蘭州市金昌路某小區內北側、檢測場地地形較為平整，地面高程在1515.58～1516.03米之間。從地貌單元上看，場地位于蘭州市黃河南岸Ⅱ級地之上。場地地下水理深2.1～2.3 米，相應水位高程1613.35～1518.68 米，卵石層為其主要含水層，屬階地型潛水，地下水流向北東。

根據項目建設要求，對擬建場地采用探地雷達儀進行了地下管網檢測。

1.2 檢測內容

沿場地橫向和縱向，間隔1m 的距離布置測線，對地下空洞進行檢測，進而確定管道位置。

1.3 檢測儀器設備

本次工作使用儀器設備如下：雷達設備選擇：采用瑞典產RAMAC/GPR 地質雷達，選用500MHz 屏蔽天線。

采集軟件選擇：RAMAC GroundVision V1.4.5 版。

RAMAC/GPR 地質雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它是利用電磁波信號在物體內部傳播時電磁波的運動特點進行探測的。雷達組成及探測方法如下：

地質雷達系統主要由以下幾部分組成（如下圖所示）：

圖1 雷達系統組成示意圖

2 雷達檢測基本原理

2.1 檢測原理

探地雷達 (Ground Penetrating Radar,簡稱GPR) 的技術原理是高頻信號脈沖通過電磁波的反射技術進行工作。探地雷達可分為兩部分,分別是發射天線和接收裝置。發射天線向介質中發射高頻率(106～109Hz 或更高)的電磁波,電磁波的一部分在介質中折射,另一部分在介質中反射。接收控制裝置進行接收反射的電磁波。當電磁波在介質中傳播時,遇到有電差的界面設計就會產生反射。可以根據所接收到的電磁波的波形,振幅強度和時間，可以推斷出目標體的具體位置和結構形狀。如圖2 所示。

圖2 雷達系統組成示意圖

根據電磁波理論,由天線發射出電磁波后，其在介質中傳播過程中產生了電性差異交界面,這時由于上下介質的電磁特性不同而導致產生的折射和反射角度不同,由此便可得到所測得的雷達波形圖。

利用軟件對數據進行處理。對數據文件進行預處理、平均值、過濾和映射。最終得到各測線的成果圖,從而對擬建場地地下管網分布走向、深度進行分析判斷,進而得出地下管網分布圖。

2.2 資料分析處理流程

GPR 數據包括預先處理（標記和校正站、添加標題、標志等），以及處理和分析。處理流程圖如圖3所示，其被設計來抑制干擾和隨機規則，最高可能的解決方案顯示的反射波，在地面穿透雷達來幫助異常信息有用突起（包括電磁波的傳播速度，幅度和波形等）解釋橫截面圖像。

探地雷達接收的是來自地下的反射波，它的正確性取決于檢測技術參數可以選擇一個合理、處理方法得當的數據信息、模擬研究實驗類比和讀圖經驗等因素。

圖3 探地雷達數據處理流程圖

3 檢測情況

由于擬建場地原有管網不清晰，故針對擬建場地采用地質雷達儀進行地下管網檢測，沿場地橫向和縱向，間隔1m 的距離布置測線，對地下空洞進行檢測，進而確定管道位置。測線布置情況如圖4 所示。

圖4 測線布置圖

4 雷達圖像分析

4.1 圖像分析原理

記錄在反射波，波形灰度顯示或地面穿透雷達的垂直剖視圖的一個脈沖波形形式的GPR 雷達圖像。由于地下介質相當于一個復雜的濾波器,介質對波的吸收程度不同,各介質均勻性也有一定差異,使得脈沖到達接收天線時,與原始發射波形有較大的差異,這種差異反映到雷達圖像上就會產生明顯的異常波形,從而進行定性分析判斷。另外,外界噪聲、振動、外加強電磁場的干擾,也會影響實測數據得到差異較大的雷達圖像。因此,對接收信號進行技術處理,以改善信噪比的方法尤為重要。

探地雷達圖像解釋的核心內容是識別并判斷目標體的特征和雷達圖像干擾波。使用探地雷達進行探測時,外界噪聲、振動、外加強電磁場對其結果影響較大,對于不同材料的相對介電常數、電導率、磁導率等不同,各自形成的反射波或繞射波能量強度不一,所得反射信號不同,故測得圖像千差萬別。工程實際驗證,地質雷達檢測同一類別會呈現出相同的特征；據此,可以判斷檢測圖像并分析結果。

4.2 典型雷達圖像

通過查閱資料，得到一系列地質雷達典型波形特征：

當混凝土達到密實時，其中的信號幅值較弱，甚至界面反射信號消失；當混凝土不密實時，界面有與繞射弧相軸相同的強反射信號，反射信號不連續且分散。

當碎石樁中部出現斷樁情況時，樁身雷達信號清晰，從頂部開始樁身反射信號逐漸變窄，中部斷樁處反射信號弱。

在腔體情況下，界面反射信號較為強烈，振動相位明顯，下部仍有強反射界面信號，兩組信號呈現較大時差。

探測到的鋼筋會在進行圖像中呈現出一個連續的小雙曲線強反射控制信號，在雷達圖像上反映出其特有的月牙形態。

5 檢測結果

5.1 檢測圖像

圖5 10 號測線

圖6 11 號測線

通過比較10，11 號測線，可得10 號測線整體波動較大，11 號測線波動較小，可得出10 號測線與11號測線之間有豎直方向的管道，并且靠近11 號測線。如圖5，圖6 所示。

圖7 13 號測線

圖8 14 號測線

通過比較13、14 號測線，可得兩條測線整體波動均較大，可得出13 號測線與14 號測線之間有豎直方向的管道。如圖7，圖8 所示。

比較10、11、13、14 號測線發現t=60s 時，四條測線均出現較小波動，可判斷出t=60s 時此處有水平走向的管道。

圖9 17 號測線

圖10 18 號測線

圖11 19 號測線

圖12 20 號測線

綜合比較17、18、19、20 號測線，四條測線圖像波動均較大，可得出水平方向分布有三條管道。并且在t=35s 時四條測線均出現較大波動，可得出有一條豎直走向的管道交叉于三條水平走向的管道。當t=15s，t=28s 時，19、20 號測線處均波動較大，可判斷有豎直方向的管道存在。如圖9～圖12 所示。

采用地質雷達進行檢測時，空洞與土壤存在明顯介電差異以及電磁導率差異，差異越大，空洞的反射特征越明顯，這是進行探地雷達地下管網檢測的基礎。分析波形異常界面可對空洞大小進行定性分析判定，同一側線若波形圖全長呈現異常波動，說明該測線處于管線之上；若測線只有部分存在波形異常波動，說明該測線波形異常部位有管線經過。同時，可根據波形異常處波動大小定性判斷管徑。

6 結論

根據上述雷達掃描結果,并對結果進行處理分析,其處理流程如圖3 所示,由于地下管網與地層巖體、土體存在一定的電性差異,介質均勻性不同,鑒于兩者的電磁特性不同，導致產生不同角度的折射和反射,雷達波形圖上產生的異常波形,通過對此種異常波形的定性分析和判斷得出地下管網的分布情況,判斷出其具體的走向以及深度范圍等情況。

圖13 是由分析結果繪制的擬建場地地下管網分布情況圖,其中有兩類管網,第一種管網埋深約1.0m 斷面約1.0m2,第二種管網埋深約0.5m 斷面約0.1m2。

圖13 地下管網結果簡圖