探地雷達(dá)在非金屬管線探測(cè)中的應(yīng)用市政技術(shù)new

1、探地雷達(dá)在非金屬管線探測(cè)中的應(yīng)用錢(qián)榮毅1，王正成1 ，孔祥春2，紀(jì)勇鵬2(1、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）, 北京 100083；2、北京鑫衡運(yùn)科貿(mào)有限責(zé)任公司 北京 100029)Application of Ground Penetrating Radar for Detecting Nonmetal PipelineQIAN Rong-yi1,WANG Zheng-cheng1,KONG Xiang-chun2, JI Yong-peng2摘 要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，PE、PVC、混凝土等非金屬管線在市政建設(shè)中越來(lái)越多的得到應(yīng)用。而非金屬管線的探測(cè)也逐漸成為管線管理部門(mén)和工程單位的一大難題。

2、本文結(jié)合瑞典RAMAC/GPR探地雷達(dá)在非金屬管線探測(cè)中的應(yīng)用，淺談一下非金屬管線探測(cè)的體會(huì)和技巧。關(guān)鍵字：探地雷達(dá)、PE、PVC、混凝土管1、 前言：90年代初國(guó)內(nèi)開(kāi)始引進(jìn)和研制探地雷達(dá)，由于該儀器輕便，工作效率高和無(wú)破壞性等特點(diǎn)，探地雷達(dá)在工程探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及市政、公路、鐵路、考古、隧道等。在城市地下管線普查中，與其它探測(cè)設(shè)備相比，探地雷達(dá)不僅能夠探測(cè)金屬管線，而且成為PE、PVC、混凝土等非金屬管線探查的主要手段。2、工作原理：探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar,簡(jiǎn)稱(chēng)GPR）是利用超高頻短脈沖電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形隨通過(guò)

3、介質(zhì)的電性質(zhì)和幾何形態(tài)的不同而變化的特點(diǎn)，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（亦稱(chēng)雙程走時(shí)）、幅度與波形資料來(lái)判斷管線的深度、位置和估算管線直徑等。當(dāng)管線方向已知時(shí)，測(cè)線應(yīng)垂直管線長(zhǎng)軸。如圖1所示，探地雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把不同水平位置采集到的電磁波信號(hào)（每一信號(hào)亦稱(chēng)之為一道）從時(shí)間域轉(zhuǎn)換成空間域，不同水平位置采集的道信號(hào)組合起來(lái)，最終得到雷達(dá)剖面圖上的波形反應(yīng)，其典型特征為黑、白相間的拋物線。雷達(dá)剖面圖上拋物線頂點(diǎn)橫向坐標(biāo)值是管線中心軸線距測(cè)量起始點(diǎn)的水平距離，拋物線頂點(diǎn)豎向坐標(biāo)值為管線上表面距測(cè)量表面的深度值。數(shù)據(jù)采集地下管線天線測(cè)線雷達(dá)剖面圖拋物線圖1、雷達(dá)剖面成圖示意圖3、探測(cè)前提：在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，地下非

4、金屬管線與周?chē)橘|(zhì)之間存在足夠的電性差異，是探測(cè)工作行之有效的重要前提。影響雷達(dá)探測(cè)效果的主要物性參數(shù)是介電常數(shù)和電導(dǎo)率。城市非金屬管線大部分埋設(shè)在道路兩側(cè)，埋深一般不超過(guò)三米，其路面材料一般為混凝土或?yàn)r青。路面以下的介質(zhì)多為雜填土和沙質(zhì)土，其含水量差別很大。各種介質(zhì)的介電常數(shù)如表1-1所示。表1-1 探測(cè)中常見(jiàn)介質(zhì)的介電常數(shù)介質(zhì)介電常數(shù)波速（m/ns）混凝土瀝青雜填土、沙質(zhì)土水空氣6.43-57-188110.120.030.3對(duì)非金屬管線而言，外表面與內(nèi)表面均為反射界面。由公式可計(jì)算界面的反射系數(shù)R，反射系數(shù)R的正負(fù)決定著非金屬管線反射相位的正負(fù)。在非金屬管管壁厚度不大的情況下（一般小于0

5、.1m），內(nèi)外界面的反射波相互疊加，反射波波形因天線頻率、管壁厚度和周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)等因素的不同而有很大的差別。非金屬管線與周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)差異的存在，是探地雷達(dá)應(yīng)用于非金屬管線探測(cè)的物性前提。對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)效果影響較大的另一個(gè)物性參數(shù)是電導(dǎo)率。在探地雷達(dá)的工作頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)的吸收系數(shù)同電導(dǎo)率成正比。即介質(zhì)電導(dǎo)率在不同地段和不同季節(jié)差別往往很大，吸收系數(shù)決定了電磁波場(chǎng)強(qiáng)在介質(zhì)傳播過(guò)程中的衰減速度。如果以s=1/定義透深度，則當(dāng)=14,=0.002(=500m)時(shí)穿透深度約為10m，而當(dāng)=0.02 (=50m)時(shí)，穿透深度僅為1m。因此當(dāng)介質(zhì)電阻率很小時(shí)，反射波在其反射路徑上的衰減很大，接

6、收天線所接收的非金屬管線反射波信號(hào)就會(huì)很弱，甚至接收不到。在非金屬管線探測(cè)中，有時(shí)雷達(dá)剖面圖在管線埋設(shè)部位看不到管線的波形反應(yīng)，就是這個(gè)原因引起的。4、探測(cè)方法：對(duì)某一測(cè)量區(qū)域內(nèi)的地下管線進(jìn)行“盲探”時(shí)，首先應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)確定好坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)最好選在永久性標(biāo)識(shí)點(diǎn)上，以備日后復(fù)查校驗(yàn)。測(cè)線最好布置成網(wǎng)格狀，如圖2所示，測(cè)線間距應(yīng)視測(cè)量場(chǎng)地大小和測(cè)量精度的要求而定，一般可選為天線寬度的一倍至兩倍，這樣能夠準(zhǔn)確探測(cè)到橫向和豎向的管線而不至于有所遺漏。我們?cè)诶走_(dá)剖面圖上看到的拋物線是與測(cè)線相垂直的管線的波形反應(yīng)，如果在幾條平行測(cè)線的雷達(dá)剖面圖上，在相近的位置和深度都能發(fā)現(xiàn)或絕大多數(shù)有類(lèi)似波形反應(yīng)，一般就可以

7、判定是一條連續(xù)的管線。之所以要采取網(wǎng)格狀或幾個(gè)不同位置的平行雷達(dá)剖面圖來(lái)判讀管線，這是因?yàn)橛行y(cè)量區(qū)域的地下介質(zhì)電性差異變化很大，有時(shí)將雷達(dá)剖面圖位置稍微移動(dòng)，雷達(dá)波形就會(huì)有很大的變化；另外，地下情況非常復(fù)雜，我們不能只從一個(gè)雷達(dá)剖面圖上的波形反應(yīng)就能得出是否是一條連續(xù)的管線，因?yàn)榈叵碌幕炷翂K、箱形物體等都會(huì)出現(xiàn)與管線類(lèi)似的反應(yīng)。5、管線深度和水平位置的確定：管線的深度可從雷達(dá)剖面圖上直接讀取，探地雷達(dá)系統(tǒng)自動(dòng)把時(shí)間域轉(zhuǎn)換成空間域，其原理是根據(jù)公式D=V·Dt/2=C·Dt/2求得。其中C為電磁波在空氣中的介電常數(shù)，Dt為電磁波在襯砌介質(zhì)中的雙程旅行時(shí)間，x r 為介質(zhì)的

8、相對(duì)介電常數(shù)值。電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的，在確定管線深度之前，最好在測(cè)量區(qū)域內(nèi)找一條已知管線進(jìn)行傳播速度測(cè)試。波速值的求法是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的雙程走時(shí)時(shí)間不變的原理求得的，即 D1/Vx=D2/V2=t,其中，D1 為管線的實(shí)際埋深，Vx為我們需要求的雷達(dá)波速值，D2為從雷達(dá)圖上讀出的管線深度值，V2為在測(cè)量前事先假設(shè)的雷達(dá)波速管線的水平位置可由測(cè)量輪精確測(cè)得，而且探地雷達(dá)具有現(xiàn)場(chǎng)回拉定位功能，當(dāng)屏幕上顯示出管線波形時(shí)（天線拖動(dòng)方向與管線方向垂直時(shí)，典型波形反應(yīng)為拋物線），可將天線回拉，屏幕上將出現(xiàn)一個(gè)光標(biāo)，隨著天線的回拉，光標(biāo)在雷達(dá)剖面圖上移動(dòng)，當(dāng)光標(biāo)移到拋物線頂點(diǎn)時(shí)，天線的

9、中心位置對(duì)應(yīng)的就是該管線軸心的平面位置。6、估算管線直徑：一般來(lái)講，探地雷達(dá)很難精確得出管線直徑，操作者只能根據(jù)探地雷達(dá)使用經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合管線方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)估算其直徑，其結(jié)果往往不能滿足工程精度的要求。瑞典RAMAC/GPR探地雷達(dá)的后處理軟件REFLEXW提供了一種通過(guò)擬合拋物線大小的方法來(lái)判讀管線直徑的方法，我們?cè)诠芫€半徑的窗口內(nèi)輸入半徑值，不同半徑值對(duì)應(yīng)不同形狀的拋物線，當(dāng)輸入某一數(shù)值后，擬合拋物線與雷達(dá)剖面圖上管線的拋物線完全吻合，則該數(shù)值就是所要探測(cè)管線的半徑，這種方法為我們解決管線直徑的探測(cè)問(wèn)題提供了一種有效可行的思路。7、工程實(shí)例：Oxy測(cè)線天線 圖2、測(cè)線布置示意圖 圖3、雷達(dá)剖面

10、圖圖3是用250MHz天線探測(cè)得到的一張雷達(dá)剖面圖，是一根金屬管線，是一根非金屬管線。一般來(lái)講，我們很難直接從雷達(dá)剖面圖上判別探測(cè)目標(biāo)是金屬管線還是非金屬管線，但是，因?yàn)榻饘俟芫€的反射信號(hào)較強(qiáng)，探地雷達(dá)從較遠(yuǎn)的位置就能接收到其反射信號(hào)，所以金屬管線的拋物線兩葉相對(duì)非金屬管線的兩葉要長(zhǎng)一些，也就是說(shuō)，非金屬管線的拋物線兩葉要短小一些。從原理上說(shuō)，這么判斷非金屬管線是沒(méi)錯(cuò)的，但實(shí)際情況千差萬(wàn)別，非常復(fù)雜，探測(cè)時(shí)往往需要根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況并結(jié)合管線布置方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)加以綜合判斷。如果采取開(kāi)挖回填的施工方法鋪設(shè)管線，那么回填土部分也會(huì)對(duì)探地雷達(dá)的探測(cè)效果產(chǎn)生負(fù)面影響，有的甚至接收不到管線的反射信號(hào)。圖

11、3中處方框內(nèi)的雷達(dá)波形明顯異于它兩側(cè)的波形，經(jīng)核實(shí)，這是埋設(shè)管線時(shí)對(duì)路面進(jìn)行開(kāi)挖回填土所造成的?？偟恼f(shuō)來(lái)，開(kāi)挖回填這種情況往往只能判斷出開(kāi)挖過(guò)的位置，不能準(zhǔn)確判讀管線的深度位置。 圖4、雷達(dá)原始數(shù)據(jù) 圖5、處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)圖4和圖5是用500MHz頻率的天線在福州市某居民小區(qū)內(nèi)探測(cè)非金屬管線的雷達(dá)剖面圖，圖4是未加任何濾波的原始雷達(dá)數(shù)據(jù)，從圖上可以看出兩處明顯的波形反應(yīng)。圖5是加上一些濾波之后的同一處雷達(dá)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后，使管線的波形反應(yīng)更加明顯。在圖4的 雷達(dá)原始數(shù)據(jù)中，處給人的感覺(jué)是有兩個(gè)距離很近的拋物線，容易判讀為兩個(gè)距離很近的平行管線或開(kāi)挖管溝的兩個(gè)溝沿反射造成的波形反應(yīng)；但從圖5濾波后的雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)看，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)拋物線的中間部分波形反應(yīng)比兩側(cè)強(qiáng)烈，這是上述兩種情況不該有的波形異常，遂排除了上面兩種可能，經(jīng)驗(yàn)證，該管線實(shí)際是PVC管線內(nèi)嵌套了一根金屬管線。處是一根PE管，從原始數(shù)據(jù)和處理后的雷達(dá)剖面圖上都可以明顯看到它的波形反應(yīng)，埋深在1.2米處。8、后記：探地雷達(dá)探測(cè)非金屬管線具有快速、高效、非破壞性等特點(diǎn)，是PVC、PE、混凝土等非金屬管線探查的首選工具。但其探測(cè)效果往往受探測(cè)場(chǎng)地和地質(zhì)條件的制約而并不理想，除了采用正確的探測(cè)方法外，如能與其它管線探測(cè)設(shè)備配