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篇1

摘要：隨著城市的建設(shè)和發(fā)展，地下管線在市政建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于工程和建設(shè)的需要，管線探測(cè)越來(lái)越得到重視，然而，一些非金屬管線如砼、瓷、PVC、PE類(lèi)以及復(fù)雜管線如管線交錯(cuò)、管線密集也逐漸成為管線探測(cè)中的難題之一。本文首先簡(jiǎn)述了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的基本原理及其在管線探測(cè)中的方法技術(shù)，結(jié)合實(shí)例分析，說(shuō)明了地質(zhì)雷達(dá)在地下管線探測(cè)中獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，文章最后對(duì)管線的識(shí)別解釋和地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵字：地質(zhì)雷達(dá)、管線探測(cè)、方法技術(shù)、應(yīng)用、識(shí)別解釋

中圖分類(lèi)號(hào)：TN95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 引言

在信息高速發(fā)展的當(dāng)今世界，地下管線已與人民的生活密切相關(guān)，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的重要組成部分?，F(xiàn)代的大都市，地下管線無(wú)論從數(shù)量上，還是從種類(lèi)上，都在逐步增多，類(lèi)型主要有以下六種：給水管、排水管（雨水、污水管）、電力管（含路燈）、通信電纜（含光纜）、燃?xì)夤堋⒐I(yè)管道（如石油、化工管道）。

圖1城市綜合管線平面圖

城市管線的特點(diǎn)是管線類(lèi)型多，屬性各不相同，但彼此相距很近。尤其是在道路各方向交匯路口，各種地下管線更是縱橫交錯(cuò)，十分復(fù)雜（見(jiàn)圖1），加上路邊大幅鐵制廣告牌、變壓器的干擾，電磁干擾更加嚴(yán)重，采用金屬管線探測(cè)儀，對(duì)于一些非金屬材質(zhì)的的管類(lèi)，如砼、瓷、無(wú)銅光纖、PVC、PE等，在上下疊加、多管并排等電磁干擾復(fù)雜的背景條件下，現(xiàn)場(chǎng)定位定深難度很大。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法從其原理上講，可以用于探測(cè)金屬與非金屬管線，而且具有較高的靈敏度和分辨率，獲取的圖像直觀易懂，結(jié)合金屬管線探測(cè)儀成果，更有助于提高管線探測(cè)的精確度[1]。其缺點(diǎn)在于成本高，設(shè)備較笨重，移動(dòng)性不強(qiáng)，但隨著科技水平的發(fā)展，設(shè)備逐步改進(jìn)，相信將來(lái)，地質(zhì)雷達(dá)方法作為上述疑難問(wèn)題比較理想的解決手段之一，將會(huì)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用[8]越來(lái)越廣泛。

2 場(chǎng)地地質(zhì)特征與地球物理?xiàng)l件

地下管線多為采用開(kāi)挖和機(jī)械頂管方式進(jìn)行敷設(shè)，直埋管線埋深較淺，在0.5m～3m 之間，頂管埋深多位于3-5米，或更深[7]。管線周?chē)橘|(zhì)主要為雜填土、砂質(zhì)土和粘土等，其上方可能存在人工填筑物，如雜填土、沙質(zhì)土、粘土、混凝土、瀝青等，管道內(nèi)的介質(zhì)主要為水、空氣、金屬線等。待探測(cè)目標(biāo)體埋深一般位于5米內(nèi)，管線材質(zhì)為鋼、鑄鐵、砼、塑料、光纜等[11]，管徑分圓管和方溝兩種。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)的介電常數(shù)[10]

Table 1 Common dielectric constant[10]

介質(zhì) 介電常數(shù) 波速（m/ns）

砼

瀝青

雜填土、沙質(zhì)土、粘土

水

空氣 6.4

3-5

7-18

81

1 0.12

0.13-0.17

0.07-0.11

0.03

0.3

地質(zhì)雷達(dá)在管線探測(cè)中的場(chǎng)地條件是，待測(cè)管線與周?chē)镔|(zhì)的介電常數(shù)和電磁波的傳播波速存在明顯差異[2]。由表1中數(shù)據(jù)可知，金屬管線（如鋼、鑄鐵等）由于電磁波的傳播波速接近零，與周邊介質(zhì)的電磁波傳播速比為無(wú)窮小，由此可見(jiàn)差異性非常明顯；非金屬管線除管線本身材質(zhì)（如砼、瓷、PVC、PE）與周?chē)橘|(zhì)存在一定差異外，管道內(nèi)介質(zhì)如水、氣體等與周?chē)橘|(zhì)電磁性存在差異?？傊?，無(wú)論是金屬管線，還是非金屬管線，均與周邊物質(zhì)存在介電常數(shù)差異及電磁波的傳播速度差異，而且探測(cè)深度位于可探測(cè)范圍內(nèi)，因此在管線探測(cè)場(chǎng)地中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)具有可行性。

3 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)工作原理如下圖2所示。它首先通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁脈沖，而后此脈沖在地下傳播過(guò)程中遇到管線及其它物質(zhì)的變化界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，反射波傳播回地面后由接收天線所接收，并將其傳至主機(jī)進(jìn)行記錄和顯示，經(jīng)過(guò)一系列的資料處理過(guò)程，最后結(jié)合反演理論便可作定性定量解釋?zhuān)茢喑龉芫€及其它埋藏物的分布范圍、埋深等參數(shù)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

4 地質(zhì)雷達(dá)在管線探測(cè)中的方法技術(shù)

4.1觀測(cè)方法

地質(zhì)雷達(dá)的觀測(cè)方法主要使用反射波法[3]，反射波法根據(jù)天線的移動(dòng)特點(diǎn)和組合方式又可分為剖面法[4]、寬角法和多天線法[10]等。其中剖面法應(yīng)用比較普遍，所得到的雷達(dá)圖像直觀易懂，易于尋找探測(cè)體，因此它成為了管線探測(cè)中首選方法。下圖為地質(zhì)雷達(dá)剖面法工作示意圖。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)剖面法工作示意圖

4.2 工作參數(shù)選擇

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)查找地下管線能否成功，除需滿(mǎn)足前提條件外，還將取決于地質(zhì)雷達(dá)儀器各項(xiàng)探測(cè)參數(shù)選擇是否合理。要想獲得比較理想的地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖，有利于識(shí)辨一定深度范圍內(nèi)地下管線，則需要根據(jù)管線的埋藏深度和規(guī)模，合理選擇地質(zhì)雷達(dá)各項(xiàng)探測(cè)參數(shù)[4]。

4.2.1 天線中心頻率的選擇

天線中心頻率[9]的確定需考慮四個(gè)主要因素，即設(shè)計(jì)的分辨率、雜波的干擾、探測(cè)深度和天線的設(shè)計(jì)頻率，選取的原則是，前面三者的計(jì)算結(jié)果比較接近的天線的設(shè)計(jì)頻率。

假設(shè)要求的分辨率為（單位：m），周邊相對(duì)介電常數(shù)為，則天線中心頻率可由下式（1）初步選定。

（單位：MHz）（1）

在野外條件較復(fù)雜時(shí)，介質(zhì)中通常包括有非均勻體的干擾，可以減低頻率、提高較大目標(biāo)體的響應(yīng)，從而減小散射體的干擾。假設(shè)地下非均勻體尺寸為，選擇的地質(zhì)雷達(dá)天線中心頻率為

（單位：MHz） （2）

根據(jù)探測(cè)深度，也可以獲得中心頻率的選擇值。假設(shè)探測(cè)深度為，則

（單位：MHz） （3）

天線的設(shè)計(jì)頻率一般有40MHz、80MHz、100MHz、300MHz、500MHz、1500MHz等。不同廠家出產(chǎn)的天線，其設(shè)計(jì)頻率不盡相同。

通常情況下，如果野外參數(shù)如相對(duì)介電常數(shù)獲取準(zhǔn)確的情況下，以上三種頻率都能計(jì)算出來(lái)。如探測(cè)深度為5m內(nèi)，當(dāng)目標(biāo)體埋深與尺寸之比大于7時(shí)，中心頻率選擇100MHz較為理想。

4.2.2 時(shí)窗的選擇[11]

其主要取決于最大探測(cè)深度（單位：m）與地層電磁波速度（單位：m/ns）。時(shí)窗可由下式（4）估算。

（單位：ns） （4）

上式中地層電磁波速度隨地層介質(zhì)的改變可能發(fā)生變化，時(shí)窗的選擇需根據(jù)上式增加30%，即

（單位：ns） （5）

4.2.3 頻帶寬度[5]

反射波的頻帶寬度與探測(cè)分辨率具有相關(guān)性，探測(cè)分辨率又可分為橫向分辨率和縱向分辨率，一般情況下，信號(hào)頻帶寬度越窄，橫向分辨率也就越高，信號(hào)頻帶寬度越寬，縱向分辨率也就越高，然而二者具有相關(guān)性，難以同時(shí)兼顧。在實(shí)際工作中，需要對(duì)所采取的方法和技術(shù)作具體分析。

例如：當(dāng)探測(cè)地下管線等小目標(biāo)或密集分布的多目標(biāo)組合體時(shí)，則需盡量減小頻帶寬度，即選擇高頻率短脈沖；當(dāng)探測(cè)上、下重疊相距較近的平行管線時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量提高脈沖寬度，即選擇低頻率寬脈沖。在管線埋設(shè)比較復(fù)雜的情況下，可以先預(yù)設(shè)其頻帶寬度，往往為主頻的1/2到主頻的2倍，然后結(jié)合上述具體情況，合理選擇主頻及頻帶寬度，可提高探測(cè)分辨率。

當(dāng)然，除上述幾個(gè)主要方面以外，要獲得比較理想的地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖，更有利識(shí)辨地下管線，有些情況下，還需合理選擇收發(fā)天線間距、時(shí)間采樣率、天線的工作方位、天線尺寸、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距、濾波等參數(shù)[6]。

5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)管線的應(yīng)用實(shí)例

5.1 在大直徑砼管探測(cè)中的應(yīng)用

在東莞長(zhǎng)安107國(guó)道旁，待測(cè)目標(biāo)為一條管徑為1200mm圓形給水管，管材為砼和玻璃鋼相結(jié)合，直埋，埋設(shè)深度估計(jì)為3米左右，管線周邊可能有保護(hù)墻。根據(jù)調(diào)查資料，工作時(shí)所選的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)為：天線中心頻率為100MHz，天線距為0.6m，采樣點(diǎn)距為0.1m，時(shí)窗為100ns。在排除其他管線存在的區(qū)域布設(shè)測(cè)線，其中一條雷達(dá)剖面如圖4所示。

圖4 東莞長(zhǎng)安雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖

在雷達(dá)剖面上反射同相軸[7]明顯異于其它地方，而且具有一定的延續(xù)性，延續(xù)長(zhǎng)度大約為1.5m，與實(shí)際管徑1.2m相近，由此可推測(cè)該處即為給水管引起的異常，異常中心即為給水管中心，該管道中心的地面投影在測(cè)線上3.7m處，反射回程時(shí)間為40ns，若假定給水管上覆地層的介電常數(shù)為12，則其波速約為0.1m/ns，根據(jù)公式計(jì)算得，其中心埋深約為2m。該圖另外一個(gè)特征就是該給水管上界面反射并非為弧狀反射，根據(jù)電磁波反射定律，從反射同相軸形態(tài)上推測(cè)，管線可能存在一方形箱涵中，然而其下未出現(xiàn)明顯圓形管反射弧形態(tài)，說(shuō)明管線材質(zhì)與箱涵材質(zhì)接近或者一致，箱涵材質(zhì)一般為砼，由此可推定該管材質(zhì)為砼。后期管線遷移開(kāi)挖驗(yàn)證，中心位置、管徑、管材與推測(cè)結(jié)論一致，僅埋深推測(cè)偏淺，誤差約為0.5m，誤差產(chǎn)生原因?yàn)槲纯紤]瀝青路面對(duì)電磁波速度的影響。

5.2 多條管并排區(qū)分

根據(jù)市政管線鋪設(shè)的相關(guān)規(guī)定，管線一般鋪設(shè)于慢車(chē)道和人行道上，埋深區(qū)域有限，管線分布往往較密集，多數(shù)為平行布置。應(yīng)用管線儀探測(cè)時(shí)，由于管線間隔小，電磁場(chǎng)極值很難從即時(shí)數(shù)據(jù)上分辨，時(shí)常造成遺漏或者極值與管線中心偏差較大[6]。下圖4為地質(zhì)雷達(dá)在廣州番禺某道路上探測(cè)管線的剖面圖。

圖5廣州番禺雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖

圖6中山雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖

上圖5中可以發(fā)現(xiàn)5處明顯反射弧異常，且異常中心位置清晰，異常編號(hào)從左往右依次編為①~⑤。其中①處存在多條反射弧疊加情況，左右兩側(cè)反射弧各半支，表明該處反射弧相互疊加，且相距很近，這種特征與管塊鋪設(shè)的管線特征比較類(lèi)似，由此可推斷該處為多管并排的情況，其它4處反射弧形態(tài)完整，推斷為單一管線。結(jié)合管線普查圖分析，①處為400×100電信管，埋深0.8m；②處為一條燃?xì)夤芫€，材質(zhì)為PE，管徑315mm，埋深0.62m；③、④兩處均為鑄鐵給水管，并排鋪設(shè)，管徑200mm，埋深0.45m；⑤處為一條雨水砼管，管徑400mm，埋深0.7m。

5.3 上、下重疊情況

管線上、下重疊，一般情況下，上部若為大直徑金屬管線，由于其完全屏蔽電磁波信號(hào)，則下部的管線無(wú)法分辨，然而對(duì)于上部為非金屬管線，由于電磁波能穿透，因此在其下部會(huì)再次出現(xiàn)同向軸反射弧特征。圖5為地質(zhì)雷達(dá)在中山某道路上查找污水管時(shí)的剖面圖。

從圖6上可以見(jiàn)到2.2米20ns處存在負(fù)向反射弧形態(tài)，其下部60ns處反射弧形態(tài)則比較平緩，與上部特征有本質(zhì)區(qū)別，因此可以推測(cè)該處存在兩條非金屬管，而且管徑不相同。后結(jié)合相關(guān)管線施工資料反映，上面為一條給水管，管徑為300mm，材質(zhì)為砼，埋深為1.2m，下面為一條污水管，管徑為800mm，材質(zhì)為砼，埋深為3.6m。

6 結(jié)語(yǔ)

6.1 地質(zhì)雷達(dá)圖像中對(duì)管線的識(shí)別解釋

根據(jù)上述實(shí)例分析，對(duì)管線識(shí)別解釋可以從兩方面著手。第一，反射同相軸是判別管線空間位置的重要標(biāo)識(shí)。當(dāng)管線為圓形管道時(shí)，其反射同相軸為向下開(kāi)口的拋物線呈傘形狀，即所謂的反射??；當(dāng)為方型槽時(shí)，同相軸為有限平板，兩端各為半支下開(kāi)口的拋物線；當(dāng)為管塊時(shí)，同相軸兩端均有半支反射弧，其中間則同相軸比較紊亂。第二，振幅的正負(fù)強(qiáng)弱直接或間接反映出管線的材質(zhì)。具有內(nèi)外管徑的管線一般存在兩層以上反射界面，即管線的內(nèi)外層以及管線內(nèi)部物質(zhì)界面。根據(jù)管材與土壤中周邊物質(zhì)介電常數(shù)差異性可知，非金屬管線界面的反射波振幅較弱；金屬管線界面反射振幅特別強(qiáng)，同時(shí)反射信號(hào)以管線的外層界面為主，其它層面較弱。若管線其內(nèi)為水、氣體或者金屬物時(shí)，則會(huì)增加反射層，并其反射波振幅視填充物與管材的介電差異性而不同。

6.2 優(yōu)缺點(diǎn)

以上結(jié)果可以看出：地質(zhì)雷達(dá)在管線探測(cè)中有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，分辨率較高，金屬管線與非金屬管線均能探測(cè)，管線定位很準(zhǔn)確，其缺點(diǎn)在于效率低、無(wú)法從圖像上直接對(duì)管線定深、推測(cè)管徑、管材等，因此，在復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行管線探測(cè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)地調(diào)查和金屬管線探測(cè)儀探測(cè)成果，盡量選取無(wú)其他管線的區(qū)域開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)，推斷管線存在位置，如此才能高效完成區(qū)域管線探測(cè)。

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