三維地質(zhì)雷達(dá)在城市地下管線探測中的應(yīng)用

陳陽標(biāo) 徐志浩

（中交上海航道局有限公司,上海 200136）

自改革開放后,我國經(jīng)濟(jì)總量和綜合國力顯著提升,主要表現(xiàn)在城市現(xiàn)代化進(jìn)程加快和對城市地下空間的不斷拓展。隨之而來的問題是城市地下管線設(shè)施分布密集,種類繁多。為避免地下施工過程破壞已有地下管線,管線普查探測是合理科學(xué)利用地下空間的前提條件。城市地下管線主要有污水、雨水、給水、熱力、燃?xì)夤芫€等,管線材質(zhì)主要為鋼、砼、塑料等工程材料[2]。物探主要以目標(biāo)體的物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)進(jìn)行探測,如密度、電性、磁性、放射性等,地質(zhì)雷達(dá)法具有高精度、高效率、連續(xù)無損、實時成像和結(jié)果直觀等優(yōu)點,在城市地下管線探測中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

1 項目背景

鹽城市部分管線淤堵、腐蝕、破壞嚴(yán)重,在管網(wǎng)修復(fù)和新建過程中原有的燃?xì)狻?qiáng)電、國防光纜、自來水等高危和對人民生活影響較大的管線位置不明確,給工程實施帶來了極大的安全隱患,需要對相應(yīng)區(qū)域內(nèi)（物探范圍總計約9.2km2）的綜合管線進(jìn)行探測,通過物探的方法探測查明各種地下管線的埋設(shè)情況,為鹽城市水環(huán)境綜合治理項目的順利實施提供及時、適用的設(shè)施信息保證,該系統(tǒng)還可納入地下管線信息管理系統(tǒng),為系統(tǒng)的升級、更新及城市道路綜合改造的規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理提供最全面、最準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測管線

2.1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)探測利用一個天線發(fā)射高頻（106～109Hz）寬頻帶脈沖電磁波,另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波[5]。電磁波在介質(zhì)中傳播時,根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播理論,其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨著介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化,因此根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形資料可推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)[6]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的優(yōu)點

地質(zhì)雷達(dá)相對與其他物探手段有一些顯著優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在以下幾點：

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)是一種非破壞技性的探測技術(shù),可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場,工作場地條件寬松,適應(yīng)性強(qiáng)。

2.2.2 抗電磁干擾能力強(qiáng),可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作,環(huán)境干擾影響小。

2.2.3 具有工程上較滿意的探測深度和分辨率?，F(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖,圖像清晰直觀。

2.2.4 便攜微機(jī)控制數(shù)字采集、記錄、存儲和處理。輕便類儀器現(xiàn)場僅需一人即可工作,工作效率高。

3 三維地質(zhì)雷達(dá)原理及技術(shù)優(yōu)勢

三維地質(zhì)雷達(dá)與傳統(tǒng)的二維地質(zhì)雷達(dá)、多通道地質(zhì)雷達(dá)在天線排列方式及應(yīng)用效果上有著本質(zhì)差別,主要體現(xiàn)在以下幾個方面[6]：

3.1 設(shè)計輕捷,可選用多種方式探測。本次探測任務(wù)使用MIRA-200MHz-16 三維地質(zhì)雷達(dá),可根據(jù)測量環(huán)境的差別采用車載、人力拖拉、推車系統(tǒng)多種方式測量。

3.2 三維陣列天線技術(shù)。陣列天線均以相同的角度斜向極化,一次縱向掃描就可以同時采集完橫縱兩個方向的有效信號,實現(xiàn)了真正的、高效的三維探測模式。

3.3 高精度定位技術(shù)。三維雷達(dá)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時,通過其定位系統(tǒng)（全站儀或GPS RTK）對天線陣高精度定位處理,精度一般可達(dá)到厘米級,保證了雷達(dá)數(shù)據(jù)的精確歸位,便于直觀解釋雷達(dá)圖像。

3.4 配套成熟的三維數(shù)據(jù)處理解釋軟件。本文使用的rSlicer 是唯一的無縫進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和處理解釋的軟件。可以很方便地解釋海量的雷達(dá)數(shù)據(jù),軟件簡單直觀,不需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入。它包括地形編輯、坐標(biāo)系統(tǒng)變換、立體化、三維偏移、交互式成果解釋。

4 應(yīng)用案例分析

4.1 某水環(huán)境治理項目探測工作方案

本文在對測區(qū)現(xiàn)場踏勘及儀器方法試驗的基礎(chǔ)上,采用瑞典瑪拉公司生產(chǎn)的MIRA-200MHz-16 三維地質(zhì)雷達(dá),設(shè)置合理采集參數(shù),使用車載及人力拖拉的方式完成了對測區(qū)的三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集。由于采集過程中受周圍環(huán)境電磁信號、儀器本身的噪音和地下介質(zhì)的復(fù)雜性等因素的影響,記錄的信號除地下地層的信號以外,還會有許多其他干擾因素,這些干擾因素降低了信號的信噪比,掩蓋了真實異常信號并且產(chǎn)生假異常,使檢測判斷的結(jié)果不準(zhǔn)確,因此在利用雷達(dá)資料進(jìn)行檢測結(jié)果解釋之前,還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來壓制干擾波突出有用信號,提高信號的信噪比。本文三維雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、解釋采用MALA 處理解釋軟件rSlicer,對三維雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行去直流漂移、增益、濾波、三維偏移處理、地形校正；對三維雷達(dá)數(shù)據(jù)體進(jìn)行剖面解釋、平面解釋。

經(jīng)過技術(shù)分析和論證,制定探測方案如下：

（1）采用數(shù)值模擬方法分析不同屬性管線地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征,總結(jié)不同雷達(dá)技術(shù)參數(shù)對管線探測效果的影響。

（2）利用地質(zhì)雷達(dá)法對試驗區(qū)進(jìn)行詳查,在兼顧縱向勘探深度和縱橫向分辨率的情況下擬選取200 MHz 三維地質(zhì)雷達(dá),160 MHz 二維地質(zhì)雷達(dá),采用多頻覆蓋方法對試驗區(qū)進(jìn)行立體綜合探測,查明試驗區(qū)地下隱伏管線的分布情況。

（3）對于埋深較大的金屬管線、雷達(dá)剖面上存在多解性不易區(qū)分辨別區(qū)域,用金屬管線探測儀進(jìn)行補(bǔ)充探測,重點區(qū)段通過采用地質(zhì)雷達(dá)和管線探測儀兩種方法對比分析進(jìn)一步提高解釋精度。

4.2 探測結(jié)果分析

如圖1 所示,為A 區(qū)域三維雷達(dá)數(shù)據(jù)rSlicer 軟件解釋成果圖,其由水平斷面、縱斷面、橫斷面三部分圖像組成。從深度約為0.80m 水平斷面上能夠清晰的看到條帶狀管線特征圖像（黃色框①）,反映了地下管線的真實形態(tài)；從縱斷面上可看到典型的管線拋物線特征圖像（黃色框②）,從圖中拾取拋物線的頂點確定其埋深約為0.80m（雙程走時16ns,參考波速0.1m/ns）,即水平斷面與縱斷面判斷分析的管線埋深一致,圖像特征吻合,實現(xiàn)了交互式成果解釋。同時,在橫斷面上可看到水平狀的強(qiáng)反射圖像特征（黃色框③）,也從側(cè)面佐證了此處地下異常顯示為地下管線在雷達(dá)圖上的反映。至此,完成了三維雷達(dá)地下管線多尺度綜合解釋。

圖1 A 區(qū)域rSlicer 三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示

由于三維地質(zhì)雷達(dá)圖像與定位信息（坐標(biāo)文件）結(jié)合,使得雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果包含實際地物位置信息,提取雷達(dá)圖像中疑似管線異常的坐標(biāo)信息,可為實際查找管線提供重要參考。如圖2,根據(jù)探測拾取的坐標(biāo)定位（圖中點1-1、1-2）與實際已知管線位置（圖中黑色實線）對比分析,結(jié)果顯示探測成果水平位置誤差5cm、管線埋深誤差4cm,均在誤差范圍內(nèi)。

如圖3 所示,為B 區(qū)域三維雷達(dá)數(shù)據(jù)rSlicer 軟件解釋成果圖。從水平斷面雷達(dá)圖像中看出此路段實現(xiàn)了全覆蓋無縫拼接,圖中黃色點連成的線段即雷達(dá)行駛的GPS 軌跡,雷達(dá)圖像中含有坐標(biāo)信息,易于解釋異常體,進(jìn)行現(xiàn)場定位從水平斷面圖上可以明顯看到一條過路條帶狀異常體（紅色框①）,管頂切片深度0.14m,隨著時間、深度增加,帶狀異常變寬至消失。根據(jù)左下方縱斷面圖來看,此處頂部表現(xiàn)為倒懸雙曲線形態(tài),繞射波明顯,整體振幅強(qiáng),頂部反射波與入射波同向,頻率高于背景場（紅色框②）,拾取管頂埋深約0.14m（雙程走時2.8ns,參考波速約0.1m/ns）,再根據(jù)右下角橫斷面圖來看,水平強(qiáng)反射同相軸,相對平直（紅色框③）。結(jié)合三個方向的切片圖我們可以推測該處異常為地下管線。同時,從水平斷面圖中還可看到三個條帶狀管線特征圖像（紅色框④、⑤、⑥）,經(jīng)多尺度交互式解釋（圖4、5、6）及管線圖對比分析確定此處為三條不同埋深的過路管線。

圖4 管線二縱斷面與橫斷面結(jié)果顯示

圖5 管線三縱斷面與橫斷面結(jié)果顯示

圖6 管線四縱斷面與橫斷面結(jié)果顯示

如圖7 所示,根據(jù)拾取的管線坐標(biāo)點將其投射到已知管線成果圖中,圖中黑色為管線儀探測成果且已驗證,紅色為三維地質(zhì)雷達(dá)探測的管線,通過二者對比分析發(fā)現(xiàn),三維地質(zhì)雷達(dá)的探測成果不管在管線水平位置還是管線埋深均在誤差范圍內(nèi)（表1）。

表1 管線探測誤差分析成果表

圖7 探測管線與已知管線對比分析圖（黑色為已知管線、紅色為探測管線）

5 結(jié)論

對于一般的物探方法在管線探測方面有其明顯不足之處,如電磁法對于金屬管線探測效果較好,而對非金屬管線探測效果較差；地震映像法在探測過程中容易受到地下介質(zhì)及周圍環(huán)境的影響；磁梯度法探測需要采用鉆孔的方式把磁力梯度儀下放至鉆孔中對工區(qū)路面造成破壞；高密度電法探測成果精度誤差較大。本文在權(quán)衡各物探方法測量效率、質(zhì)量、誤差的基礎(chǔ)上,選擇了三維地質(zhì)雷達(dá)完成探測任務(wù),物探成果以管線探測成果圖中拾取的坐標(biāo)點呈現(xiàn)。三維地質(zhì)雷達(dá)作為一種便捷、無損、高效的地下管線探測新技術(shù),其探測成果具有較高的橫向分辨率及縱向探測深度,管線成像效果直觀便于解釋；另外,通過無縫高密度掃描得到的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)體,可進(jìn)行水平方向、垂直方向的任意深度切片展示地下管線不同維度的細(xì)節(jié)特征,從而完成交互式處理解釋。本次地下管線探測表明,三維地質(zhì)雷達(dá)在城市地下管線探測方面應(yīng)用效果良好,但其對于大埋深管線（埋深大于5m）探測目前是個盲區(qū),需要結(jié)合其他手段綜合探測。