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篇1

摘要：隨著城市的建設和發展，地下管線在市政建設中得到越來越多的應用。由于工程和建設的需要，管線探測越來越得到重視，然而，一些非金屬管線如砼、瓷、PVC、PE類以及復雜管線如管線交錯、管線密集也逐漸成為管線探測中的難題之一。本文首先簡述了地質雷達探測的基本原理及其在管線探測中的方法技術，結合實例分析，說明了地質雷達在地下管線探測中獨特優勢，文章最后對管線的識別解釋和地質雷達的優缺點進行了總結。

關鍵字：地質雷達、管線探測、方法技術、應用、識別解釋

中圖分類號：TN95文獻標識碼： A

1 引言

在信息高速發展的當今世界，地下管線已與人民的生活密切相關，發揮著越來越重要的作用，已成為城市基礎設施不可或缺的重要組成部分。現代的大都市，地下管線無論從數量上，還是從種類上，都在逐步增多，類型主要有以下六種：給水管、排水管（雨水、污水管）、電力管（含路燈）、通信電纜（含光纜）、燃氣管、工業管道（如石油、化工管道）。

圖1城市綜合管線平面圖

城市管線的特點是管線類型多，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，十分復雜（見圖1），加上路邊大幅鐵制廣告牌、變壓器的干擾，電磁干擾更加嚴重，采用金屬管線探測儀，對于一些非金屬材質的的管類，如砼、瓷、無銅光纖、PVC、PE等，在上下疊加、多管并排等電磁干擾復雜的背景條件下，現場定位定深難度很大。地質雷達探測方法從其原理上講，可以用于探測金屬與非金屬管線，而且具有較高的靈敏度和分辨率，獲取的圖像直觀易懂，結合金屬管線探測儀成果，更有助于提高管線探測的精確度[1]。其缺點在于成本高，設備較笨重，移動性不強，但隨著科技水平的發展，設備逐步改進，相信將來，地質雷達方法作為上述疑難問題比較理想的解決手段之一，將會在地下管線探測中的應用[8]越來越廣泛。

2 場地地質特征與地球物理條件

地下管線多為采用開挖和機械頂管方式進行敷設，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]。管線周圍介質主要為雜填土、砂質土和粘土等，其上方可能存在人工填筑物，如雜填土、沙質土、粘土、混凝土、瀝青等，管道內的介質主要為水、空氣、金屬線等。待探測目標體埋深一般位于5米內，管線材質為鋼、鑄鐵、砼、塑料、光纜等[11]，管徑分圓管和方溝兩種。

表1 常見介質的介電常數[10]

Table 1 Common dielectric constant[10]

介質 介電常數 波速（m/ns）

砼

瀝青

雜填土、沙質土、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

地質雷達在管線探測中的場地條件是，待測管線與周圍物質的介電常數和電磁波的傳播波速存在明顯差異[2]。由表1中數據可知，金屬管線（如鋼、鑄鐵等）由于電磁波的傳播波速接近零，與周邊介質的電磁波傳播速比為無窮小，由此可見差異性非常明顯；非金屬管線除管線本身材質（如砼、瓷、PVC、PE）與周圍介質存在一定差異外，管道內介質如水、氣體等與周圍介質電磁性存在差異。總之，無論是金屬管線，還是非金屬管線，均與周邊物質存在介電常數差異及電磁波的傳播速度差異，而且探測深度位于可探測范圍內，因此在管線探測場地中應用地質雷達具有可行性。

3 地質雷達的工作原理

地質雷達工作原理如下圖2所示。它首先通過發射天線向地下發射電磁脈沖，而后此脈沖在地下傳播過程中遇到管線及其它物質的變化界面時會產生反射，反射波傳播回地面后由接收天線所接收，并將其傳至主機進行記錄和顯示，經過一系列的資料處理過程，最后結合反演理論便可作定性定量解釋，推斷出管線及其它埋藏物的分布范圍、埋深等參數。

圖2 地質雷達工作原理圖

4 地質雷達在管線探測中的方法技術

4.1觀測方法

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

圖3 地質雷達剖面法工作示意圖

4.2 工作參數選擇

應用地質雷達查找地下管線能否成功，除需滿足前提條件外，還將取決于地質雷達儀器各項探測參數選擇是否合理。要想獲得比較理想的地質雷達實測剖面圖，有利于識辨一定深度范圍內地下管線，則需要根據管線的埋藏深度和規模，合理選擇地質雷達各項探測參數[4]。

4.2.1 天線中心頻率的選擇

天線中心頻率[9]的確定需考慮四個主要因素，即設計的分辨率、雜波的干擾、探測深度和天線的設計頻率，選取的原則是，前面三者的計算結果比較接近的天線的設計頻率。

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

（單位：MHz）（1）

在野外條件較復雜時，介質中通常包括有非均勻體的干擾，可以減低頻率、提高較大目標體的響應，從而減小散射體的干擾。假設地下非均勻體尺寸為，選擇的地質雷達天線中心頻率為

（單位：MHz） （2）

根據探測深度，也可以獲得中心頻率的選擇值。假設探測深度為，則

（單位：MHz） （3）

天線的設計頻率一般有40MHz、80MHz、100MHz、300MHz、500MHz、1500MHz等。不同廠家出產的天線，其設計頻率不盡相同。

通常情況下，如果野外參數如相對介電常數獲取準確的情況下，以上三種頻率都能計算出來。如探測深度為5m內，當目標體埋深與尺寸之比大于7時，中心頻率選擇100MHz較為理想。

4.2.2 時窗的選擇[11]

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

（單位：ns） （4）

上式中地層電磁波速度隨地層介質的改變可能發生變化，時窗的選擇需根據上式增加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分辨率具有相關性，探測分辨率又可分為橫向分辨率和縱向分辨率，一般情況下，信號頻帶寬度越窄，橫向分辨率也就越高，信號頻帶寬度越寬，縱向分辨率也就越高，然而二者具有相關性，難以同時兼顧。在實際工作中，需要對所采取的方法和技術作具體分析。

例如：當探測地下管線等小目標或密集分布的多目標組合體時，則需盡量減小頻帶寬度，即選擇高頻率短脈沖；當探測上、下重疊相距較近的平行管線時，應當盡量提高脈沖寬度，即選擇低頻率寬脈沖。在管線埋設比較復雜的情況下，可以先預設其頻帶寬度，往往為主頻的1/2到主頻的2倍，然后結合上述具體情況，合理選擇主頻及頻帶寬度，可提高探測分辨率。

當然，除上述幾個主要方面以外，要獲得比較理想的地質雷達實測剖面圖，更有利識辨地下管線，有些情況下，還需合理選擇收發天線間距、時間采樣率、天線的工作方位、天線尺寸、測點點距、濾波等參數[6]。

5 地質雷達探測管線的應用實例

5.1 在大直徑砼管探測中的應用

在東莞長安107國道旁，待測目標為一條管徑為1200mm圓形給水管，管材為砼和玻璃鋼相結合，直埋，埋設深度估計為3米左右，管線周邊可能有保護墻。根據調查資料，工作時所選的地質雷達技術參數為：天線中心頻率為100MHz，天線距為0.6m，采樣點距為0.1m，時窗為100ns。在排除其他管線存在的區域布設測線，其中一條雷達剖面如圖4所示。

圖4 東莞長安雷達實測剖面圖

在雷達剖面上反射同相軸[7]明顯異于其它地方，而且具有一定的延續性，延續長度大約為1.5m，與實際管徑1.2m相近，由此可推測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線上3.7m處，反射回程時間為40ns，若假定給水管上覆地層的介電常數為12，則其波速約為0.1m/ns，根據公式計算得，其中心埋深約為2m。該圖另外一個特征就是該給水管上界面反射并非為弧狀反射，根據電磁波反射定律，從反射同相軸形態上推測，管線可能存在一方形箱涵中，然而其下未出現明顯圓形管反射弧形態，說明管線材質與箱涵材質接近或者一致，箱涵材質一般為砼，由此可推定該管材質為砼。后期管線遷移開挖驗證，中心位置、管徑、管材與推測結論一致，僅埋深推測偏淺，誤差約為0.5m，誤差產生原因為未考慮瀝青路面對電磁波速度的影響。

5.2 多條管并排區分

根據市政管線鋪設的相關規定，管線一般鋪設于慢車道和人行道上，埋深區域有限，管線分布往往較密集，多數為平行布置。應用管線儀探測時，由于管線間隔小，電磁場極值很難從即時數據上分辨，時常造成遺漏或者極值與管線中心偏差較大[6]。下圖4為地質雷達在廣州番禺某道路上探測管線的剖面圖。

圖5廣州番禺雷達實測剖面圖

圖6中山雷達實測剖面圖

上圖5中可以發現5處明顯反射弧異常，且異常中心位置清晰，異常編號從左往右依次編為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的管線特征比較類似，由此可推斷該處為多管并排的情況，其它4處反射弧形態完整，推斷為單一管線。結合管線普查圖分析，①處為400×100電信管，埋深0.8m；②處為一條燃氣管線，材質為PE，管徑315mm，埋深0.62m；③、④兩處均為鑄鐵給水管，并排鋪設，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，則下部的管線無法分辨，然而對于上部為非金屬管線，由于電磁波能穿透，因此在其下部會再次出現同向軸反射弧特征。圖5為地質雷達在中山某道路上查找污水管時的剖面圖。

從圖6上可以見到2.2米20ns處存在負向反射弧形態，其下部60ns處反射弧形態則比較平緩，與上部特征有本質區別，因此可以推測該處存在兩條非金屬管，而且管徑不相同。后結合相關管線施工資料反映，上面為一條給水管，管徑為300mm，材質為砼，埋深為1.2m，下面為一條污水管，管徑為800mm，材質為砼，埋深為3.6m。

6 結語

6.1 地質雷達圖像中對管線的識別解釋

根據上述實例分析，對管線識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識。當管線為圓形管道時，其反射同相軸為向下開口的拋物線呈傘形狀，即所謂的反射弧；當為方型槽時，同相軸為有限平板，兩端各為半支下開口的拋物線；當為管塊時，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，振幅的正負強弱直接或間接反映出管線的材質。具有內外管徑的管線一般存在兩層以上反射界面，即管線的內外層以及管線內部物質界面。根據管材與土壤中周邊物質介電常數差異性可知，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，同時反射信號以管線的外層界面為主，其它層面較弱。若管線其內為水、氣體或者金屬物時，則會增加反射層，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 優缺點

以上結果可以看出：地質雷達在管線探測中有著其獨特的優勢，分辨率較高，金屬管線與非金屬管線均能探測，管線定位很準確，其缺點在于效率低、無法從圖像上直接對管線定深、推測管徑、管材等，因此，在復雜地區進行管線探測時，應結合實地調查和金屬管線探測儀探測成果，盡量選取無其他管線的區域開展地質雷達，推斷管線存在位置，如此才能高效完成區域管線探測。

參考文獻：

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