探地雷達(dá)在城市地下管線探測(cè)中的應(yīng)用

楊 劍,李 華,焦彥杰

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081)

探地雷達(dá)在城市地下管線探測(cè)中的應(yīng)用

楊 劍,李 華,焦彥杰

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081)

應(yīng)用RAMAC系列探地雷達(dá)進(jìn)行了城市天橋地下管線探測(cè)的應(yīng)用研究。基于對(duì)城市地下管線周圍介質(zhì)環(huán)境的分析,設(shè)計(jì)了探地雷達(dá)的工作參數(shù),對(duì)即將開挖的樁位進(jìn)行地下管線探測(cè),得出了很好的結(jié)論,為后續(xù)工程鉆孔定位具有指導(dǎo)意義。

探地雷達(dá);地下管線;探測(cè)

0 前言

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR),是采用無線電波檢測(cè)地下介質(zhì)分布,以及對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描,以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為:高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射,經(jīng)目標(biāo)體反射或透射,被接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場強(qiáng)度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化,由此通過對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析,可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

探地雷達(dá)具有分辨率高、無損、操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),從數(shù)據(jù)采集到圖像處理實(shí)現(xiàn)了一體化。可實(shí)時(shí)輸出現(xiàn)場剖面記錄圖等優(yōu)勢(shì),適用于各種環(huán)境條件,在各種地球物理方法中脫穎而出,很快成為巖土工程勘探和監(jiān)測(cè)的主要手段,并廣泛應(yīng)用于公路、鐵路質(zhì)量檢測(cè),城市地下管線探測(cè),隧道檢測(cè),堤壩、庫岸等水利水電工程探測(cè),考古探測(cè),環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。

只要地下管線目標(biāo)與周圍介質(zhì)之間存在足夠的物性差異,就能被探地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。探地雷達(dá)的管線探測(cè)能力,彌補(bǔ)了管線探測(cè)儀的探測(cè)缺陷,因此在城市地下管線的探測(cè)中得到普遍應(yīng)用。作者在本文采用瑞典瑪拉公司(MALAGEOSC IENCE)生產(chǎn)的RAMAC系列探地雷達(dá)(見圖1),對(duì)成都市的某人行天橋地下管線進(jìn)行了探測(cè),查明每座橋各樁位點(diǎn)處地下1m～6m深度范圍內(nèi)是否存在各種城市地下管線,為人行天橋的樁位開挖施工服務(wù),以確定地下管線的具體位置和走向。

圖1 RAMAC雷達(dá)主機(jī)和天線Fig.1 Host radar and antenna of RAMAC GPR

1 探測(cè)方法及原理

探地雷達(dá)是基于不同介質(zhì)的電性差異,利用高頻電磁波,探測(cè)隱蔽介質(zhì)分布和目標(biāo)體的一種高新地球物理方法。當(dāng)發(fā)射天線T以寬頻帶、短脈沖方式向地下發(fā)射電磁波時(shí),遇到具有不同介電特性的介質(zhì)時(shí)(如管線、空洞、分界面),就會(huì)有部份電磁波能量反射(回波),接收天線接收到反射回波并記錄反射時(shí)間,原理如圖2所示。

圖2 探地雷達(dá)工作原理Fig.2 GPR working p rincip le

對(duì)于反射波,我們可以用下面的反射波旅行時(shí)間計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

由上所述,雷達(dá)反射波的旅行時(shí)間,會(huì)隨被測(cè)介質(zhì)的厚度而變化。于是,把發(fā)射與接收天線在被測(cè)介質(zhì)表面同步移動(dòng),便可將反射界面的反射波,依次排列成二維雷達(dá)圖像,根據(jù)雷達(dá)圖像,我們就可以判讀出探測(cè)目標(biāo)體的狀況。

2 雷達(dá)探測(cè)管線可行性試驗(yàn)

為了對(duì)比地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)管線、空洞、鋼筋等不同目標(biāo)體的探測(cè)效果,武漢大學(xué)的專家們?cè)诨炷翗訅K中做了對(duì)比試驗(yàn)(見圖3)。異常從左到右依次為:裂縫、空洞、空洞、鋼筋、鋼筋、金屬管、塑料管。從所測(cè)的雷達(dá)成果圖來看,鋼筋和金屬管線的異常反射比塑料管的要強(qiáng)很多。如果不存在對(duì)比的情況下,要區(qū)別是金屬管還是塑料管或是圓形空洞還是有一定的難度。但是,能探測(cè)出管線或是其它異常體,已經(jīng)能滿足本次的探測(cè)工作要求。

3 探地雷達(dá)參數(shù)的確定

本次探測(cè)工作采用瑞典MALA公司的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備,儀器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和探測(cè)深度如下:3.1 技術(shù)指標(biāo)

(1)脈沖重復(fù)頻率:100、200、330、…kHz(最高可達(dá)1 000 kHz)。

(2)數(shù)據(jù)位數(shù):16。

(3)樣點(diǎn)數(shù)/道:128-2048任選(可根據(jù)用戶需要增加)。

(4)迭加次數(shù):1-32768及自動(dòng)迭加。

(5)采樣頻率:0.2->100 GHz。

圖3 探地雷達(dá)試驗(yàn)探測(cè)結(jié)果Fig.3 The test resu ltsof the GPR detection

(6)分辨率:5 ps。

(7)數(shù)據(jù)通訊:以太網(wǎng)。

(8)通訊速度:100M bit/s。

(9)數(shù)據(jù)采集速度:可達(dá)800道/s(當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為100 kHz時(shí))。

(10)采樣模式:距離/時(shí)間/手動(dòng)。

(11)供電:12 V鋰電池或外接12 V電池,主機(jī)0.9 A。

(12)工作時(shí)間:連續(xù)工作5 h以上。

(13)天線兼容性:可兼容MALA公司的所有天線。

(14)工作溫度:-20℃～+50℃。

(15)尺寸(cm):32.5×22.2×4.2(16)重量:1.9 kg

3.2 不同天線的探測(cè)深度和分辨率

表1為不同天線的探測(cè)深度和分辯率。

作者在本文例舉了人行天橋的城市地下管線探測(cè)工作,其目的在于:查明在天橋各樁位點(diǎn)處地下1m～6m深度范圍內(nèi),是否存在各種城市地下管線,為人行天橋的樁位開挖施工服務(wù)。

表1 不同天線頻率的探測(cè)深度和分辨率Tab.1 The dep th and reso lution of d ifferen t an tenna frequency

由于每個(gè)樁位的開挖直徑大小約為1.5m左右,為了更好地控制地下的探測(cè)范圍,在條件允許的情況下,在每個(gè)樁位處都布置二條長3m以上的垂直雷達(dá)測(cè)線。城市地下管線的埋深范圍,一般都在1m～6m以內(nèi),依據(jù)表1,選擇250MHz的天線就可滿足探測(cè)要求。

圖4 天橋大致樁位編號(hào)Fig.4 Rough ly num bersofB ridge p ile location

4 地下管線探測(cè)結(jié)果

圖5 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)樁位的一條測(cè)線和2號(hào)樁的另一條垂直測(cè)線Fig.5 A m easuring line of 1,2,3 p iles and ano ther line of 2 p iles

從圖5的雷達(dá)掃描圖上看,1號(hào)、3號(hào)樁位與樁身擦邊處0.5m埋深的地方,存在明顯的拱形異常,推斷為管線。另外,在三號(hào)樁右側(cè)2.5m處,埋深1.2m的地方也存在一明顯拱形異常,推斷為給水管。

2號(hào)樁的一條雷達(dá)測(cè)線上有明顯的異常發(fā)射面,另一條垂直的雷達(dá)測(cè)線上存在明顯的拱形異常,推斷為金屬管線。

從圖6(見下頁)的雷達(dá)掃描圖上看:4號(hào)樁位無明顯的異常反應(yīng);5號(hào)樁與樁身擦邊處有一處較明顯異常,推斷是路邊的干擾引起;6號(hào)樁與樁身擦邊處有一處拱形異常,推斷為管線。

圖6 6號(hào)、5號(hào)、4號(hào)樁位的一條測(cè)線Fig.6 A m easuring line of 6,5,4 p ile

圖7 降水井雷達(dá)掃描圖Fig.7 The radar scan of dewateringwell

降水井:作者對(duì)圖4降水井的位置布置了三條測(cè)線,其探測(cè)結(jié)果如圖7所示。三條測(cè)線放在一個(gè)文件中,從圖7中可以看出,前二條測(cè)線在1.0 m～1.3m范圍內(nèi)都存在明顯反射層,但不是管線。第三條測(cè)線從雷達(dá)掃描圖上看,存在一個(gè)明顯的拱形異常,推斷為管線,所以建議將打井位置選在圖4降水井設(shè)想位置的上方。

5 結(jié)語

應(yīng)用RAMAC系列探地雷達(dá)進(jìn)行地下管線探測(cè)的實(shí)踐表明,該系列雷達(dá)能夠成功用于城市地下管線的探測(cè),具有探測(cè)準(zhǔn)確、適用于各種類型管線探測(cè)的優(yōu)點(diǎn),對(duì)后期工程鉆孔定位有指導(dǎo)意義。

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P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0669—05

中國地質(zhì)調(diào)查局水[2101(礦評(píng)01-07-31)]

2010-05-17 改回日期:2010-09-27

楊劍(1983-),男,碩士,成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,主要從事工程、礦產(chǎn)地球物理勘探。