地質雷達在管線探測中的應用

王 凱

0 引言

隨著社會的發展，地下管線的密度越來越大，在地下施工如此之多的今天，這些管線的安全直接關系著當地的經濟發展及居民的正常生活，也關系到施工人員的安全。近年來，由于雷達技術的逐漸成熟，地質雷達在地下施工過程中得到廣泛應用。

1 地質雷達原理及其應用

1.1 地質雷達原理

地質雷達(GPR)的工作原理是通過對電磁波在地下介質傳播規律與波場特點的研究分析，進而查明介質的結構、屬性、幾何形態及其空間分布特征。地質雷達由地面上的發射天線以寬頻帶短脈沖形式將高頻電磁波(主頻為106Hz～109Hz)發射送入地下，經過地下目標體或不同電磁性質的介質分界面反射將電磁波返回地面，被另一個天線所接收，而剩余電磁波能量則穿過界面繼續向下傳播，在更深的分界面繼續反射和透射，直到電磁能量被地下介質全部吸收為止。地質雷達探測技術是目前分辨率最高的工程地球物理探測方法，它是近些年迅速發展起來的一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術。地質雷達原理見圖1。

1.2 地質雷達應用

應用地質雷達探測地下管線主要是對管線屬性和位置的確定。因此，掌握電磁波在介質中的傳播速度和透射能力就非常重要。在以位移電流為主的有耗媒介中，電磁波的傳播速度為v=c/εr，其中，光速c=0.3 m/ns;εr為媒介的介電常數。因此，電磁波的傳播速度只與媒介的介電常數有關。電磁波在有耗媒介中的傳播過程，因媒介對電磁波的吸收而發生能量衰減，這限制了地質雷達的探測深度。同樣在以位移電流為主的有耗媒介中可用吸收系數(β)表示電磁波的能量衰減特征。吸收系數近似值可表示為:β=188/ρεr，其中，ρ為介質的電阻率。因此，電磁波能量吸收系數與介質的電阻率成反比，雖然它隨介電常數的增大而減小，但是介質的介電常數變化范圍較小，而介質的電阻率受飽和度和礦化度的影響變化范圍較大。因此，電磁波能量吸收系數主要由介質的電阻率決定并與ρ成反比。相反，對于同一頻率的電磁波而言，電磁波的透射能力與介質的電阻率成正比。

圖1 地質雷達原理圖

1.3 地質雷達組成

地質雷達探測系統主要由天線、發射機、接收機、信號處理機和終端設備(計算機)等組成，如圖2所示。GSSI的SIR系列多功能地質雷達是全世界公認的采用技術最成熟、最完善的地質雷達。SIR-20地質雷達屬工程現場非破壞性的高頻電磁脈沖全數字化地面探測系統，有多種頻率的天線可供選擇，分別為16 MHz～80 MHz，100 MHz，200 MHz，400 MHz，900 MHz，1 GHz，2.5 GHz。

圖2 地質雷達組成圖

2 實例工程分析

2.1 各種管線的分辨

1)金屬管的相對介電常數較大，導電率極強，衰減極大，其頂部反射會出現極性反轉，無底部反射。2)非金屬管的介電常數均低，導電率小，衰減小，頂部反射極性正常，管底部反射同相軸明顯。同時管內流動的物質不同，管線的波形特征不同，當管線內部充水時，在水界面發生極性反轉。3)混凝土管，混凝土管的反射波一般都較弱，在少數地段甚至很難探測到弧狀反射異常，在條件較好地段有時也能探測到管底反射波。4)PVC管，一般而言，PVC型給水管都會有明顯的雷達反射出現，而且會有多次反射出現。電磁波在PVC管上的反射能量比在金屬管上的反射能量要弱許多。

2.2 天津公路探測管線

天津塘沽區某公路要建設跨公路立交橋，但在立交橋橋墩施工區域有地下管線，而且有可能與施工面相交，用管線探測儀無法精確的測量出管線的位置，因此選擇地質雷達進行探測，探明管線的走向及其深度，以確保管線的安全以及橋梁施工的進度。

圖3 連續的排水管

圖4 電力管線

圖5 通信管線和自來水管

圖3 為連續的排水管，圖4為電力管線，圖5為通信管線和自來水管。

3 結語

地質雷達技術的發展，為城市建設提供了便利。它不但能準確探測地下管線的位置，而且能夠確認其類型，為設計人員和建設施工人員提供詳細的信息，今后地質雷達技術在城市管網探測方面將會有更大的應用和發展空間。

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