探地雷達在非金屬管線探測中的應用市政技術new

1、探地雷達在非金屬管線探測中的應用錢榮毅1，王正成1 ，孔祥春2，紀勇鵬2(1、中國地質大學（北京）, 北京 100083；2、北京鑫衡運科貿有限責任公司 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：隨著國民經濟的迅猛發(fā)展，PE、PVC、混凝土等非金屬管線在市政建設中越來越多的得到應用。而非金屬管線的探測也逐漸成為管線管理部門和工程單位的一大難題。

2、本文結合瑞典RAMAC/GPR探地雷達在非金屬管線探測中的應用，淺談一下非金屬管線探測的體會和技巧。關鍵字：探地雷達、PE、PVC、混凝土管1、 前言：90年代初國內開始引進和研制探地雷達，由于該儀器輕便，工作效率高和無破壞性等特點，探地雷達在工程探測領域的應用日益廣泛，其應用領域涉及市政、公路、鐵路、考古、隧道等。在城市地下管線普查中，與其它探測設備相比，探地雷達不僅能夠探測金屬管線，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（Ground Penetrating Radar,簡稱GPR）是利用超高頻短脈沖電磁波在介質中傳播時其路徑、電磁場強度與波形隨通過

3、介質的電性質和幾何形態(tài)的不同而變化的特點，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料來判斷管線的深度、位置和估算管線直徑等。當管線方向已知時，測線應垂直管線長軸。如圖1所示，探地雷達系統(tǒng)會自動把不同水平位置采集到的電磁波信號（每一信號亦稱之為一道）從時間域轉換成空間域，不同水平位置采集的道信號組合起來，最終得到雷達剖面圖上的波形反應，其典型特征為黑、白相間的拋物線。雷達剖面圖上拋物線頂點橫向坐標值是管線中心軸線距測量起始點的水平距離，拋物線頂點豎向坐標值為管線上表面距測量表面的深度值。數(shù)據(jù)采集地下管線天線測線雷達剖面圖拋物線圖1、雷達剖面成圖示意圖3、探測前提：在探測區(qū)域內，地下非

4、金屬管線與周圍介質之間存在足夠的電性差異，是探測工作行之有效的重要前提。影響雷達探測效果的主要物性參數(shù)是介電常數(shù)和電導率。城市非金屬管線大部分埋設在道路兩側，埋深一般不超過三米，其路面材料一般為混凝土或瀝青。路面以下的介質多為雜填土和沙質土，其含水量差別很大。各種介質的介電常數(shù)如表1-1所示。表1-1 探測中常見介質的介電常數(shù)介質介電常數(shù)波速（m/ns）混凝土瀝青雜填土、沙質土水空氣6.43-57-188110.120.030.3對非金屬管線而言，外表面與內表面均為反射界面。由公式可計算界面的反射系數(shù)R，反射系數(shù)R的正負決定著非金屬管線反射相位的正負。在非金屬管管壁厚度不大的情況下（一般小于0

5、.1m），內外界面的反射波相互疊加，反射波波形因天線頻率、管壁厚度和周圍介質的介電常數(shù)等因素的不同而有很大的差別。非金屬管線與周圍介質的介電常數(shù)差異的存在，是探地雷達應用于非金屬管線探測的物性前提。對探地雷達探測效果影響較大的另一個物性參數(shù)是電導率。在探地雷達的工作頻率范圍內，介質的吸收系數(shù)同電導率成正比。即介質電導率在不同地段和不同季節(jié)差別往往很大，吸收系數(shù)決定了電磁波場強在介質傳播過程中的衰減速度。如果以s=1/定義透深度，則當=14,=0.002(=500m)時穿透深度約為10m，而當=0.02 (=50m)時，穿透深度僅為1m。因此當介質電阻率很小時，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就會很弱，甚至接收不到。在非金屬管線探測中，有時雷達剖面圖在管線埋設部位看不到管線的波形反應，就是這個原因引起的。4、探測方法：對某一測量區(qū)域內的地下管線進行“盲探”時，首先應在現(xiàn)場確定好坐標，坐標原點最好選在永久性標識點上，以備日后復查校驗。測線最好布置成網(wǎng)格狀，如圖2所示，測線間距應視測量場地大小和測量精度的要求而定，一般可選為天線寬度的一倍至兩倍，這樣能夠準確探測到橫向和豎向的管線而不至于有所遺漏。我們在雷達剖面圖上看到的拋物線是與測線相垂直的管線的波形反應，如果在幾條平行測線的雷達剖面圖上，在相近的位置和深度都能發(fā)現(xiàn)或絕大多數(shù)有類似波形反應，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)格狀或幾個不同位置的平行雷達剖面圖來判讀管線，這是因為有些測量區(qū)域的地下介質電性差異變化很大，有時將雷達剖面圖位置稍微移動，雷達波形就會有很大的變化；另外，地下情況非常復雜，我們不能只從一個雷達剖面圖上的波形反應就能得出是否是一條連續(xù)的管線，因為地下的混凝土塊、箱形物體等都會出現(xiàn)與管線類似的反應。5、管線深度和水平位置的確定：管線的深度可從雷達剖面圖上直接讀取，探地雷達系統(tǒng)自動把時間域轉換成空間域，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中的雙程旅行時間，x r 為介質的

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

9、中心位置對應的就是該管線軸心的平面位置。6、估算管線直徑：一般來講，探地雷達很難精確得出管線直徑，操作者只能根據(jù)探地雷達使用經驗并結合管線方面的專業(yè)知識估算其直徑，其結果往往不能滿足工程精度的要求。瑞典RAMAC/GPR探地雷達的后處理軟件REFLEXW提供了一種通過擬合拋物線大小的方法來判讀管線直徑的方法，我們在管線半徑的窗口內輸入半徑值，不同半徑值對應不同形狀的拋物線，當輸入某一數(shù)值后，擬合拋物線與雷達剖面圖上管線的拋物線完全吻合，則該數(shù)值就是所要探測管線的半徑，這種方法為我們解決管線直徑的探測問題提供了一種有效可行的思路。7、工程實例：Oxy測線天線 圖2、測線布置示意圖 圖3、雷達剖面

10、圖圖3是用250MHz天線探測得到的一張雷達剖面圖，是一根金屬管線，是一根非金屬管線。一般來講，我們很難直接從雷達剖面圖上判別探測目標是金屬管線還是非金屬管線，但是，因為金屬管線的反射信號較強，探地雷達從較遠的位置就能接收到其反射信號，所以金屬管線的拋物線兩葉相對非金屬管線的兩葉要長一些，也就是說，非金屬管線的拋物線兩葉要短小一些。從原理上說，這么判斷非金屬管線是沒錯的，但實際情況千差萬別，非常復雜，探測時往往需要根據(jù)場地的實際情況并結合管線布置方面的專業(yè)知識加以綜合判斷。如果采取開挖回填的施工方法鋪設管線，那么回填土部分也會對探地雷達的探測效果產生負面影響，有的甚至接收不到管線的反射信號。圖

11、3中處方框內的雷達波形明顯異于它兩側的波形，經核實，這是埋設管線時對路面進行開挖回填土所造成的。總的說來，開挖回填這種情況往往只能判斷出開挖過的位置，不能準確判讀管線的深度位置。 圖4、雷達原始數(shù)據(jù) 圖5、處理后的雷達數(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)內探測非金屬管線的雷達剖面圖，圖4是未加任何濾波的原始雷達數(shù)據(jù)，從圖上可以看出兩處明顯的波形反應。圖5是加上一些濾波之后的同一處雷達數(shù)據(jù)，經過處理后，使管線的波形反應更加明顯。在圖4的 雷達原始數(shù)據(jù)中，處給人的感覺是有兩個距離很近的拋物線，容易判讀為兩個距離很近的平行管線或開挖管溝的兩個溝沿反射造成的波形反應；但從圖5濾波后的雷達數(shù)據(jù)來看，發(fā)現(xiàn)兩個拋物線的中間部分波形反應比兩側強烈，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，經驗證，該管線實際是PVC管線內嵌套了一根金屬管線。處是一根PE管，從原始數(shù)據(jù)和處理后的雷達剖面圖上都可以明顯看到它的波形反應，埋深在1.2米處。8、后記：探地雷達探測非金屬管線具有快速、高效、非破壞性等特點，是PVC、PE、混凝土等非金屬管線探查的首選工具。但其探測效果往往受探測場地和地質條件的制約而并不理想，除了采用正確的探測方法外，如能與其它管線探測設備配