項(xiàng)立斌

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院 ， 安徽合肥 230022）

地質(zhì)雷達(dá)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用與實(shí)例分析

項(xiàng)立斌

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院 ， 安徽合肥 230022）

地下管網(wǎng)探測(cè)工作一般分為實(shí)地調(diào)查和盲區(qū)探測(cè)兩個(gè)步驟。首先根據(jù)現(xiàn)有管線分布圖進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，在調(diào)查工作的基礎(chǔ)上對(duì)盲目管線進(jìn)行探測(cè)。本文介紹了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作的基本原理。列舉了地質(zhì)雷達(dá)在地下管線探測(cè)中應(yīng)用的實(shí)例，并結(jié)合實(shí)地情況，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

地質(zhì)雷達(dá)； 高頻電磁波 ；地下管線探測(cè) ； 實(shí)例分析

1　概述

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下管線探測(cè)工作日益增多，同時(shí)隨著地下管線施工工藝及管道材質(zhì)的發(fā)展，導(dǎo)致管線探測(cè)的難度也日益增加。

目前管線探測(cè)工作中主要使用的儀器是地下管線探測(cè)儀和地質(zhì)雷達(dá)。地下管線探測(cè)儀只能探測(cè)金屬管道或地下電纜，對(duì)于非金屬管道探測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)的作用就顯得更為重要。地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于地下管線探測(cè)工程一般配備100MHz、250MHz屏蔽式天線，屏蔽式天線在城區(qū)探測(cè)工作中更顯得必要。本文著者著重介紹地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下非金屬管道、電纜和掩埋窨井的應(yīng)用實(shí)例，并對(duì)不同目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)反射電磁波圖像的異常特征進(jìn)行了簡(jiǎn)要剖析。

2　地質(zhì)雷達(dá)工作原理簡(jiǎn)介

2.1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)，主要基于地下介質(zhì)的介電性差異，地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)一個(gè)天線發(fā)射高頻電磁波，另一個(gè)天線接收地下介質(zhì)反射回來(lái)的電磁波，通過(guò)配置的工作軟件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理、成像。詳細(xì)工作過(guò)程是：由置于地面的天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地下傳播過(guò)程中遇到不同電性（主要是相對(duì)介電常數(shù)）界面時(shí)，電磁波一部分射透過(guò)界面繼續(xù)傳播，一部分反射至地面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄。反射波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時(shí)間稱為雙程走時(shí)（t），當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速或已知介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確t值便可求得目標(biāo)體的位置和埋深。

2.1.1地質(zhì)雷達(dá)求深公式

如圖1所示，T是發(fā)射天線，R是接收天線，h為待探測(cè)的目標(biāo)體頂部埋深，t為電磁波雙程走時(shí)，則有如下關(guān)系式：

由于屏蔽式發(fā)射天線（T）與接收天線（R）相距很近，即x≈0，此時(shí)（1）可變換為：

圖1　地質(zhì)雷達(dá)反射測(cè)深原理圖Fig. 1 Geological radar reflection sounding principle

因此，若知道電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（v），并精確地記錄電磁發(fā)射波的走時(shí)（t），就可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)體的深度（h）。

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率很高（10nMHz），當(dāng)只考慮地下介質(zhì)的介電性時(shí)，電磁波的傳播速度（v）可近似為：

所以（2）式變?yōu)椋?/p>

因此，若知道地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)（εr），并精確地記錄電磁發(fā)射波的走時(shí)（t，單位：s），由（3）式也可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)體的深度（h，單位：km）。

2.1.2地質(zhì)雷達(dá)圖像形式

地質(zhì)雷達(dá)反射剖面圖形常以脈沖反射波的波形形式表示，波形的正負(fù)峰分別以黑、白色顯示（圖2）?；蛘咭曰译A（圖3）或彩色（圖略）顯示，在圖面上，同相軸呈等灰度或等色線束，形象地表征出地下不同介質(zhì)的反射面。

3　工程應(yīng)用與實(shí)例分析

3.1方法試驗(yàn)工作

對(duì)于每個(gè)工程項(xiàng)目，進(jìn)場(chǎng)時(shí)首先要針對(duì)地下管線的埋設(shè)狀況，在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇具有代表性的各類不同埋深的已知管線進(jìn)行方法試驗(yàn)，以便選擇最佳工作參數(shù)、建立不同目標(biāo)物的反射波異常特征；根據(jù)已知目標(biāo)物的埋深，通過(guò)反復(fù)計(jì)算獲得場(chǎng)地介質(zhì)電磁波傳播的波速值或介電常數(shù)的參考值，為盲區(qū)探測(cè)的定

3.3.1安徽淮南市某路口地下管線探測(cè)

受施工單位委托，要求探測(cè)砼材質(zhì)、直徑為600mm給水管道位置、埋深和走向的工作任務(wù)。由于路面多次鋪墊，管道埋設(shè)時(shí)代較年久，我們首先采用實(shí)地調(diào)查，大致了解了目標(biāo)管道的大致走向；再RD8000型地下管線探測(cè)儀探測(cè)目標(biāo)管道的周邊各種金屬管線分布情況并標(biāo)注位置；最后布置合理的地量計(jì)算、定性解譯做準(zhǔn)備。

圖2　同相軸波形形式雷達(dá)反射圖像Fig. 2 Radar reflection image in the form of event waveform

圖3　灰階形式雷達(dá)反射記錄圖像Fig. 3 Gray scale-like radar reflection image

3.2工作步驟與方法

每一個(gè)地下管線探測(cè)項(xiàng)目，首先盡量收集測(cè)區(qū)已有的地下管網(wǎng)資料，在資料收集工作的基礎(chǔ)上，第一步進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。實(shí)地調(diào)查主要是尋找露頭窨井，將其打開進(jìn)行拍照、丈量深度、填寫記錄等。第二步，對(duì)于有露頭的金屬管或電力線，使用地下管線儀，采用鉗夾法進(jìn)行追蹤探測(cè)或采用電磁感應(yīng)法探測(cè)。第三步，對(duì)于非金屬管道或管徑大、埋藏深的金屬管道，使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下管線一般采用等間隔測(cè)點(diǎn)的剖面法，即發(fā)射天線和接收天線以固定間隔沿測(cè)線同步移動(dòng)探測(cè)。在了解探測(cè)目標(biāo)管線大致走向和位置的基礎(chǔ)上，選擇合適的場(chǎng)地布置測(cè)線，標(biāo)志起始位置，剖面方向應(yīng)垂直目標(biāo)管線走向。對(duì)于管線分支或轉(zhuǎn)折，應(yīng)在不同管線方向或分支方向布置測(cè)線，確定管線位置、走向后采用交匯法定特征點(diǎn)。

3.3探測(cè)實(shí)例質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面。圖4是探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片，圖5為探測(cè)結(jié)果。

圖4　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig. 4 Geological radar detection work spot photo

圖5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖像Fig. 5Geological radar detection results image

圖5是采用灰階形式表示的圖像，通過(guò)增益模式處理，圖中清晰可見(jiàn)三處單邊雙曲線形態(tài)的反射波異常。其中，1號(hào)異常單邊雙曲線頂部呈水平狀，可清楚判讀異常體寬度。2號(hào)異常單邊雙曲線頂部相對(duì)較尖銳，信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，且清晰可見(jiàn)單邊雙曲線內(nèi)部有兩組獨(dú)立反射弧。3號(hào)異常單邊雙曲線頂部較平坦，雙曲線內(nèi)部出現(xiàn)清晰二次波反射。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，推斷出1號(hào)異常為管塊結(jié)構(gòu)埋設(shè)的多根電力線，其雙曲線頂部呈現(xiàn)的平頂即為水泥管塊的寬度。2號(hào)異常為電力管線，采用套管直埋方式埋設(shè)，由于單邊雙曲線內(nèi)部有兩組獨(dú)立反射弧，推測(cè)套管中可能有兩根電纜。3號(hào)異常為給水管線，采用管埋方式埋設(shè)，由于采用地下管線探測(cè)儀追索無(wú)信號(hào)，推測(cè)為砼材質(zhì)管，隨后經(jīng)開挖驗(yàn)證，確實(shí)為要探測(cè)的砼材質(zhì)給水管道。

3.3.2合肥市巢湖路某處沉井及井蓋探測(cè)

圖6　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)沉井現(xiàn)場(chǎng)Fig. 6 Scene of geological radar detection of sunk well

由于建設(shè)場(chǎng)地施工原因，導(dǎo)致部分污水沉井井蓋被掩埋，急需尋找井室確切位置進(jìn)行疏通。受合肥市排水辦的委托，我們采用地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)尋找（圖6）。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果圖像Fig. 7 Geological radar detection results image， raw

圖7是采用100MHz天線、采樣時(shí)窗長(zhǎng)度200ns、疊加次數(shù)64次、測(cè)點(diǎn)距0.20m的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的反射斷面圖。雷達(dá)圖像經(jīng)過(guò)指數(shù)增益模式處理，從圖中清晰可見(jiàn)，在剖面上大約8m處出現(xiàn)一組單邊雙曲線形反射波異常。經(jīng)過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換后，首次反射波大約出現(xiàn)在深度1.3m左右，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查推斷認(rèn)為是需要尋找的沉井井室位置。

4　結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)在解決地下管線及地下埋設(shè)物的探查中利用不同頻率的天線組合，結(jié)合實(shí)地調(diào)查工作，確實(shí)能解決一些疑難復(fù)雜管線的定位問(wèn)題，但由于受場(chǎng)地環(huán)境、電磁干擾等、人文活動(dòng)等因素制約，很多地段無(wú)法獲得目標(biāo)物的準(zhǔn)確信息，探測(cè)工作必須分步驟有序進(jìn)行，特別是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、實(shí)地調(diào)查工作環(huán)節(jié)十分重要。該方法是探測(cè)非金屬管道的一種手段，對(duì)于金屬管線可作為探測(cè)方法的一種補(bǔ)充。

［1］楊峰，彭蘇萍.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究［M］. 北京： 科學(xué)出版社，2010.

［2］趙永峰.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用［J］. 地震地磁觀測(cè)與研究，2009，2（4）：34～38.

［3］袁明德.探地雷達(dá)探測(cè)地下管線的能力［J］. 物探與化探，2002，26（2）：152～155，162.

APPLICATION OF GEOLOGICAL RADAR IN DETECTION OF UNDERGROUND PIPELINE AND CASE ANALYSIS

XIANG Li-bin
（Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province， Hefei， Anhui 230022， China）

Underground pipe network detection is generally divided into spot survey and blind zone detection. Based on available pipeline distribution map， spot survey is conducted first， followed by detection of pipeline in blind zone. This paper introduced basic principle of geological radar detection， listed cases of the application，and analyzed detection results according to local conditions.

geological radar； high-frequency electromagnetic wave； underground pipeline detection； case analysis

1005－6157（2016）03－0222－3

P631.5

A

2016-02-25

項(xiàng)立斌（1963－ ），男，安徽巢湖人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事地球物理勘探工作。。