地质雷达SIR在管线探测中的应用

作者简介：李勇，1984年出生，男，汉族，湖北荆州人，大学本科学历，毕业于中国地质大学（武汉），在江门市勘测院任助理工程师，从事工程物探、工程测绘及工程勘察等工作。

摘要：随着城市的建设和发展，地下管线在市政建设中得到越来越多的应用。由于工程和建设的需要，管线探测越来越得到重视，然而，一些非金属管线如砼、瓷、PVC、PE类以及复杂管线如管线交错、管线密集也逐渐成为管线探测中的难题之一。本文首先简述了地质雷达探测的基本原理及其在管线探测中的方法技术，结合实例分析，说明了地质雷达在地下管线探测中独特优势，文章最后对管线的识别解释和地质雷达的优缺点进行了总结。

关键字：地质雷达、管线探测、方法技术、应用、识别解释

中图分类号：TN95文献标识码： A

1 引言

在信息高速发展的当今世界，地下管线已与人民的生活密切相关，发挥着越来越重要的作用，已成为城市基础设施不可或缺的重要组成部分。现代的大都市，地下管线无论从数量上，还是从种类上，都在逐步增多，类型主要有以下六种：给水管、排水管（雨水、污水管）、电力管（含路灯）、通信电缆（含光缆）、燃气管、工业管道（如石油、化工管道）。

图1城市综合管线平面图

城市管线的特点是管线类型多，属性各不相同，但彼此相距很近。尤其是在道路各方向交汇路口，各种地下管线更是纵横交错，十分复杂（见图1），加上路边大幅铁制广告牌、变压器的干扰，电磁干扰更加严重，采用金属管线探测仪，对于一些非金属材质的的管类，如砼、瓷、无铜光纤、PVC、PE等，在上下叠加、多管并排等电磁干扰复杂的背景条件下，现场定位定深难度很大。地质雷达探测方法从其原理上讲，可以用于探测金属与非金属管线，而且具有较高的灵敏度和分辨率，获取的图像直观易懂，结合金属管线探测仪成果，更有助于提高管线探测的精确度[1]。其缺点在于成本高，设备较笨重，移动性不强，但随着科技水平的发展，设备逐步改进，相信将来，地质雷达方法作为上述疑难问题比较理想的解决手段之一，将会在地下管线探测中的应用[8]越来越广泛。

2 场地地质特征与地球物理条件

地下管线多为采用开挖和机械顶管方式进行敷设，直埋管线埋深较浅，在0.5m～3m 之间，顶管埋深多位于3-5米，或更深[7]。管线周围介质主要为杂填土、砂质土和粘土等，其上方可能存在人工填筑物，如杂填土、沙质土、粘土、混凝土、沥青等，管道内的介质主要为水、空气、金属线等。待探测目标体埋深一般位于5米内，管线材质为钢、铸铁、砼、塑料、光缆等[11]，管径分圆管和方沟两种。

表1 常见介质的介电常数[10]

Table 1 Common dielectric constant[10]

介质 介电常数 波速（m/ns）

砼

沥青

杂填土、沙质土、粘土

水

空气 6.4

3-5

7-18

81

1 0.12

0.13-0.17

0.07-0.11

0.03

0.3

地质雷达在管线探测中的场地条件是，待测管线与周围物质的介电常数和电磁波的传播波速存在明显差异[2]。由表1中数据可知，金属管线（如钢、铸铁等）由于电磁波的传播波速接近零，与周边介质的电磁波传播速比为无穷小，由此可见差异性非常明显；非金属管线除管线本身材质（如砼、瓷、PVC、PE）与周围介质存在一定差异外，管道内介质如水、气体等与周围介质电磁性存在差异。总之，无论是金属管线，还是非金属管线，均与周边物质存在介电常数差异及电磁波的传播速度差异，而且探测深度位于可探测范围内，因此在管线探测场地中应用地质雷达具有可行性。

3 地质雷达的工作原理

地质雷达工作原理如下图2所示。它首先通过发射天线向地下发射电磁脉冲，而后此脉冲在地下传播过程中遇到管线及其它物质的变化界面时会产生反射，反射波传播回地面后由接收天线所接收，并将其传至主机进行记录和显示，经过一系列的资料处理过程，最后结合反演理论便可作定性定量解释，推断出管线及其它埋藏物的分布范围、埋深等参数。

图2 地质雷达工作原理图

4 地质雷达在管线探测中的方法技术

4.1观测方法

地质雷达的观测方法主要使用反射波法[3]，反射波法根据天线的移动特点和组合方式又可分为剖面法[4]、宽角法和多天线法[10]等。其中剖面法应用比较普遍，所得到的雷达图像直观易懂，易于寻找探测体，因此它成为了管线探测中首选方法。下图为地质雷达剖面法工作示意图。

图3 地质雷达剖面法工作示意图

4.2 工作参数选择

应用地质雷达查找地下管线能否成功，除需满足前提条件外，还将取决于地质雷达仪器各项探测参数选择是否合理。要想获得比较理想的地质雷达实测剖面图，有利于识辨一定深度范围内地下管线，则需要根据管线的埋藏深度和规模，合理选择地质雷达各项探测参数[4]。

4.2.1 天线中心频率的选择

天线中心频率[9]的确定需考虑四个主要因素，即设计的分辨率、杂波的干扰、探测深度和天线的设计频率，选取的原则是，前面三者的计算结果比较接近的天线的设计频率。

假设要求的分辨率为（单位：m），周边相对介电常数为，则天线中心频率可由下式（1）初步选定。

（单位：MHz）（1）

在野外条件较复杂时，介质中通常包括有非均匀体的干扰，可以减低频率、提高较大目标体的响应，从而减小散射体的干扰。假设地下非均匀体尺寸为，选择的地质雷达天线中心频率为

（单位：MHz） （2）

根据探测深度，也可以获得中心频率的选择值。假设探测深度为，则

（单位：MHz） （3）

天线的设计频率一般有40MHz、80MHz、100MHz、300MHz、500MHz、1500MHz等。不同厂家出产的天线，其设计频率不尽相同。

通常情况下，如果野外参数如相对介电常数获取准确的情况下，以上三种频率都能计算出来。如探测深度为5m内，当目标体埋深与尺寸之比大于7时，中心频率选择100MHz较为理想。

4.2.2 时窗的选择[11]

其主要取决于最大探测深度（单位：m）与地层电磁波速度（单位：m/ns）。时窗可由下式（4）估算。

（单位：ns） （4）

上式中地层电磁波速度随地层介质的改变可能发生变化，时窗的选择需根据上式增加30%，即

（单位：ns） （5）

4.2.3 频带宽度[5]

反射波的频带宽度与探测分辨率具有相关性，探测分辨率又可分为横向分辨率和纵向分辨率，一般情况下，信号频带宽度越窄，横向分辨率也就越高，信号频带宽度越宽，纵向分辨率也就越高，然而二者具有相关性，难以同时兼顾。在实际工作中，需要对所采取的方法和技术作具体分析。

例如：当探测地下管线等小目标或密集分布的多目标组合体时，则需尽量减小频带宽度，即选择高频率短脉冲；当探测上、下重叠相距较近的平行管线时，应当尽量提高脉冲宽度，即选择低频率宽脉冲。在管线埋设比较复杂的情况下，可以先预设其频带宽度，往往为主频的1/2到主频的2倍，然后结合上述具体情况，合理选择主频及频带宽度，可提高探测分辨率。

当然，除上述几个主要方面以外，要获得比较理想的地质雷达实测剖面图，更有利识辨地下管线，有些情况下，还需合理选择收发天线间距、时间采样率、天线的工作方位、天线尺寸、测点点距、滤波等参数[6]。

5 地质雷达探测管线的应用实例

5.1 在大直径砼管探测中的应用

在东莞长安107国道旁，待测目标为一条管径为1200mm圆形给水管，管材为砼和玻璃钢相结合，直埋，埋设深度估计为3米左右，管线周边可能有保护墙。根据调查资料，工作时所选的地质雷达技术参数为：天线中心频率为100MHz，天线距为0.6m，采样点距为0.1m，时窗为100ns。在排除其他管线存在的区域布设测线，其中一条雷达剖面如图4所示。

图4 东莞长安雷达实测剖面图

在雷达剖面上反射同相轴[7]明显异于其它地方，而且具有一定的延续性，延续长度大约为1.5m，与实际管径1.2m相近，由此可推测该处即为给水管引起的异常，异常中心即为给水管中心，该管道中心的地面投影在测线上3.7m处，反射回程时间为40ns，若假定给水管上覆地层的介电常数为12，则其波速约为0.1m/ns，根据公式计算得，其中心埋深约为2m。该图另外一个特征就是该给水管上界面反射并非为弧状反射，根据电磁波反射定律，从反射同相轴形态上推测，管线可能存在一方形箱涵中，然而其下未出现明显圆形管反射弧形态，说明管线材质与箱涵材质接近或者一致，箱涵材质一般为砼，由此可推定该管材质为砼。后期管线迁移开挖验证，中心位置、管径、管材与推测结论一致，仅埋深推测偏浅，误差约为0.5m，误差产生原因为未考虑沥青路面对电磁波速度的影响。

5.2 多条管并排区分

根据市政管线铺设的相关规定，管线一般铺设于慢车道和人行道上，埋深区域有限，管线分布往往较密集，多数为平行布置。应用管线仪探测时，由于管线间隔小，电磁场极值很难从即时数据上分辨，时常造成遗漏或者极值与管线中心偏差较大[6]。下图4为地质雷达在广州番禺某道路上探测管线的剖面图。

图5广州番禺雷达实测剖面图

图6中山雷达实测剖面图

上图5中可以发现5处明显反射弧异常，且异常中心位置清晰，异常编号从左往右依次编为①~⑤。其中①处存在多条反射弧叠加情况，左右两侧反射弧各半支，表明该处反射弧相互叠加，且相距很近，这种特征与管块铺设的管线特征比较类似，由此可推断该处为多管并排的情况，其它4处反射弧形态完整，推断为单一管线。结合管线普查图分析，①处为400×100电信管，埋深0.8m；②处为一条燃气管线，材质为PE，管径315mm，埋深0.62m；③、④两处均为铸铁给水管，并排铺设，管径200mm，埋深0.45m；⑤处为一条雨水砼管，管径400mm，埋深0.7m。

5.3 上、下重叠情况

管线上、下重叠，一般情况下，上部若为大直径金属管线，由于其完全屏蔽电磁波信号，则下部的管线无法分辨，然而对于上部为非金属管线，由于电磁波能穿透，因此在其下部会再次出现同向轴反射弧特征。图5为地质雷达在中山某道路上查找污水管时的剖面图。

从图6上可以见到2.2米20ns处存在负向反射弧形态，其下部60ns处反射弧形态则比较平缓，与上部特征有本质区别，因此可以推测该处存在两条非金属管，而且管径不相同。后结合相关管线施工资料反映，上面为一条给水管，管径为300mm，材质为砼，埋深为1.2m，下面为一条污水管，管径为800mm，材质为砼，埋深为3.6m。

6 结语

6.1 地质雷达图像中对管线的识别解释

根据上述实例分析，对管线识别解释可以从两方面着手。第一，反射同相轴是判别管线空间位置的重要标识。当管线为圆形管道时，其反射同相轴为向下开口的抛物线呈伞形状，即所谓的反射弧；当为方型槽时，同相轴为有限平板，两端各为半支下开口的抛物线；当为管块时，同相轴两端均有半支反射弧，其中间则同相轴比较紊乱。第二，振幅的正负强弱直接或间接反映出管线的材质。具有内外管径的管线一般存在两层以上反射界面，即管线的内外层以及管线内部物质界面。根据管材与土壤中周边物质介电常数差异性可知，非金属管线界面的反射波振幅较弱；金属管线界面反射振幅特别强，同时反射信号以管线的外层界面为主，其它层面较弱。若管线其内为水、气体或者金属物时，则会增加反射层，并其反射波振幅视填充物与管材的介电差异性而不同。

6.2 优缺点

以上结果可以看出：地质雷达在管线探测中有着其独特的优势，分辨率较高，金属管线与非金属管线均能探测，管线定位很准确，其缺点在于效率低、无法从图像上直接对管线定深、推测管径、管材等，因此，在复杂地区进行管线探测时，应结合实地调查和金属管线探测仪探测成果，尽量选取无其他管线的区域开展地质雷达，推断管线存在位置，如此才能高效完成区域管线探测。

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