探地雷達在城市地下管線探測中的應(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，能夠為城市規(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。基于此，從地下管線探測基礎(chǔ)理論方法方面，對現(xiàn)有的管線探測方法進行分析與總結(jié)，進一步結(jié)合某市的地下管線探測工程實例，探討電磁法、雷達法在地下管線探測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：探地雷達;城市地下管線;探測;具體應(yīng)用

中圖分類號：TU459? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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是多見的檢測任務(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)，并且由于管線粗細不一、埋深深淺不一、地下介質(zhì)雜亂、含水不一等原因都會增大管線探測的難度，給施工過程帶來影響，稍有不慎挖斷管線不僅對城市交通造成嚴重的影響，還會給周圍居民生活帶來極大的困擾。鑒于此，給對探地雷達在城市道路地下管線探測中的應(yīng)用提出了一些建議，僅供參考。

1 探地雷達基本原理

探地雷達屬于地球物理方法之一，主要通過天線對高頻電磁波進行反射及接收的方式，對介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律及特性進行探測，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困難最好的一種技術(shù)方式[1]。電磁波出現(xiàn)反射，對于反射回的電磁波，地面天線將對其進行信號處理及分析，結(jié)合信號各方面參數(shù)對地下目標(biāo)的位置等進行推斷，進而全面且有效地探測地下管線。

2 探地雷達不同條件下的適用性分析

2.1 探地雷達方法試驗

本次探地雷達探測試驗工作，使用美國GSST公司生產(chǎn)的SIR-20探地雷達，根據(jù)區(qū)內(nèi)管線埋設(shè)特點天線采用的400 MHz高效屏蔽天線。探地雷達對本區(qū)內(nèi)DN100—DN500給水混凝土管、鑄鐵管及電信管塊進行了試驗[2]。經(jīng)過對已知的給水鑄鐵管、混凝土管及電信水泥管塊、塑料管塊的多處多點試驗，做共試驗剖面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異常較為明顯，但是燃氣PE材質(zhì)管道在探測效果上表現(xiàn)為異常相對較弱，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應(yīng)，能夠確定管道的平面位置和埋深。通過計算各點的已知埋深與電磁波走時，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，其波速會相對低;在干硬或貧水的土層，其波速相對高。本工作區(qū)普查面積為80 km2，通過波速試驗取其平均值投入工作。對其中一個區(qū)域取其試驗點的平均值為0.110 m/ns，對于另一個區(qū)域取值0.117 m/ns投入工作。經(jīng)過驗證，管線實際埋深與探地雷達探測結(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地需要。一般來說按公式（1）計算天線的中心頻率：

式中：ε為介質(zhì)的相對介電常數(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目的，選擇400 MHz高頻屏蔽天線。

2.2.3 時窗

時窗選擇的依據(jù)主要是最大探測深度dmax（單位m）與地層波速V（單位m/ns）。時窗W（單位ns）可按公式（2）計算：

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，此次采樣時窗選為50～60 ns。

2.2.4 實地剖面

探地雷達探測時，盡量選在較為平坦的地段，這樣可會避免探測信息失真。垂直于管線走向布設(shè)探地雷達剖面方向，連續(xù)采樣時要勻速推進。

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，每條探地雷達探測剖面在特征點附近至少做3至4條探測剖面。并進行重復(fù)觀測，以便能夠提取和分析較為可靠的管線異常，在探測過程中還要結(jié)合已有資料對比分析，做出合理的解釋。

2.4 結(jié)論及建議

因探地雷達在探測管線工作中表現(xiàn)效率不高的弊端，所以在遇到較大面積的探測工作不宜應(yīng)用地質(zhì)雷達做掃面工作。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)差別較小時管道異常較差，剖面圖像中目標(biāo)管體不清晰，有時無法分辨。在本區(qū)探地雷達主要應(yīng)用于天然氣的PE管、給水混凝土管等管道探測方面，同時對一些難點、疑點用其他方法不易解決的地段投入探地雷達工作[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)用探地雷達地質(zhì)差異明顯，效果較好，而燃氣PE材質(zhì)管道應(yīng)用探地雷達異常較弱，但經(jīng)過進一步處理，雷達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、燃氣管、熱力管、通訊（中國鐵通、廣電、燃氣管、電信、聯(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氣管道為DN300中壓管鋼質(zhì)燃氣管線，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，施工階段須增強監(jiān)控量測。

3.2 采集參數(shù)

因探地雷達探測天線中心頻率各不相同，造成其測深能力的不同，頻率低，探測深度大，分辨率低;頻率高，探測深度淺，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

探地雷達探測資料的評釋有兩部分內(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噪音、壓制干擾，改進背景噪音;通過增益的變化來補償或抑制原始波形，在通過去除低頻或高頻信號，來突出目標(biāo)體的特征，最后進行背景噪音的去除和余振的影響。

3.4 探測成果

以雷達波的探測遠離來分析，倘若兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異很大時，雷達波會經(jīng)歷不同的反射和衍射現(xiàn)象。實時的探測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷達穿透地面并直接在目標(biāo)管上方探測時，介質(zhì)中電磁波的方向發(fā)生了顯著變化。對雷達數(shù)據(jù)進行處理后，可以清楚地看到目標(biāo)線的雷達圖。

3.5 結(jié)論

使用探地雷達物探方法對城市道路地下管線探測的應(yīng)用，針對某市地鐵某線路建設(shè)項目，使用探地雷達物探方法對某區(qū)間地下管線情況探測，結(jié)論充分表達出該區(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應(yīng)使用同一中心頻率雷達天線，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）進行對比測試;或者采用不同中心頻率的雷達天線，并重復(fù)探測來提高管線探測的準(zhǔn)確性。城市道路地下管線探測的結(jié)果分析應(yīng)采取多種分析方法，通過調(diào)整數(shù)據(jù)分析時的參數(shù)值來選取最優(yōu)的探測成果圖。城市道路地下管線探測，要充分利用設(shè)計圖紙、現(xiàn)場勘查、雷達定位等多種方式，可以極大的提高管線探測的準(zhǔn)確性。

4 地下管線滲漏環(huán)境下探地雷達信號特征分析

本模型試驗的目的是采集地下金屬管和PVC的滲漏前后的探地雷達剖面。

4.1 試驗方案

試驗方案如圖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，滲漏時水壓約為0.02 MPa。滲漏量為24升，滲漏過程耗時30 min。試驗區(qū)域大小為1.5 m×2 m×1 m，采用中心頻率為900 MHz的天線，在滲漏點位置處沿垂直于管線方向進行數(shù)據(jù)采集，測線長度約2.2 m，道間距為1 cm，每道信號的時窗為40 ns，采樣點為512。滲漏試驗開始前用時域反射計測得試驗場地滲漏孔附近砂子相對介電常數(shù)為3.8，電導(dǎo)率為6.2 mS/m，滲漏結(jié)束后開挖測得滲漏點附近砂子相對介電常數(shù)為16.4，電導(dǎo)率為38.4 mS/m。由于滲漏結(jié)束后，滲漏點附近處的水會受重力影響繼續(xù)下滲，開挖后滲漏點附近出砂子測得的介電參數(shù)與雷達采集數(shù)據(jù)時的存在一定差異。

4.2 試驗結(jié)果分析

對采集到的雷達數(shù)據(jù)先后進行零時校正，去直流，減背景，帶通濾波和包絡(luò)增益處理。首先，將探地雷達剖面的零時刻調(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的直流分量，進行去直流處理。再通過減去整個雷達剖面的振幅平均值來去除背景雜波。接著進行帶通濾波，上、下截止頻率分別為1 200 MHz和500 MHz。

最后對剖面的每一道數(shù)據(jù)做希爾伯特變換取包絡(luò)，進行包絡(luò)疊加獲得剖面整體的包絡(luò)線，歸一化后取倒數(shù)作為增益曲線進行增益。含水PVC管和金屬管滲漏前后的雷達圖像預(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圖像中只能看到管道頂部反射。兩種管道滲漏后的雷達圖像中都可以觀察到震蕩信號且能量明顯增強，震蕩信號可以作為識別管道滲漏的重要圖像特征。

5 結(jié)語

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

地下水管在滲漏后會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，管道的反射也會在濕潤區(qū)產(chǎn)生多次波，使得雷達圖像出現(xiàn)復(fù)雜的震蕩信號。

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，形成雷達圖像中管道頂部和管道底部反射下方復(fù)雜的震蕩信號。金屬管滲漏后，能明顯看到管道與滲漏區(qū)間的多次反射。

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

參考文獻

[1] 田朋飛，王秋領(lǐng).城市管線探測技術(shù)及案例分析[J].中國市政工程，2019（4）：26-29.

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[3] 杜朋衛(wèi).淺析城市地下管線疑難探測的方法及應(yīng)用[J].城市勘測，2021（1）：176-181.

[4] 趙松坡.市政工程施工中地下管線施工技術(shù)應(yīng)用分析[J].IT經(jīng)理世界，2021（5）：43-45.