地下雙層多管線雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

趙得杰，張永濤

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 第五設(shè)計(jì)分院，天津 300133；2.中建國(guó)際投資(中國(guó))有限公司，廣東 深圳 518000)

地下雙層多管線雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

趙得杰1，張永濤2

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 第五設(shè)計(jì)分院，天津 300133；2.中建國(guó)際投資(中國(guó))有限公司，廣東 深圳 518000)

探地雷達(dá)在地下雙層多管線檢測(cè)中應(yīng)用廣泛.但是檢測(cè)時(shí)，往往受到不同介質(zhì)、不同組合方式的影響，從而導(dǎo)致管線難以分辨.針對(duì)不同介質(zhì)、不同組合方式的雙層多管線進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行圖像解釋.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探地雷達(dá)可以清晰地對(duì)雙層多管線進(jìn)行辨識(shí).

雙層多管線；填土；圖像分析；探地雷達(dá)

0 引 言

隨著地鐵、高鐵、高速公路及機(jī)場(chǎng)等大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為了滿足工程的要求，必須對(duì)其地基進(jìn)行相應(yīng)的處理[1]，而此類工程的地基在長(zhǎng)期的使用過程中，受自然環(huán)境的影響較大，會(huì)出現(xiàn)各種病害[2].傳統(tǒng)的地基檢測(cè)方法大多基于破損實(shí)驗(yàn)，且只能提供少數(shù)點(diǎn)的信息，偶然性較大，很難以經(jīng)濟(jì)有效且科學(xué)的方式來評(píng)價(jià)地基的均勻性[3]，而隨著科技技術(shù)的發(fā)展，越來越多的檢測(cè)技術(shù)用于地基質(zhì)量的檢測(cè)[4].其中，探地雷達(dá)采用高頻電磁波來探測(cè)介質(zhì)分布，其以快速、無(wú)損且直觀的特點(diǎn)成為地基檢測(cè)的主要工具之一[5].但科研人員對(duì)利用該技術(shù)所獲得的檢測(cè)圖形的解釋和缺陷的判斷并沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性較高，因此目前還只能作為一種輔助手段[6].對(duì)此，本研究特制作了地下雙層多管線模型，利用LTD-2100型探地雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用400 MHz和900 MHz天線進(jìn)行掃描，并對(duì)圖像進(jìn)行特殊處理，得出了具有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論.

1 模型設(shè)計(jì)

為了提高探地雷達(dá)對(duì)填土中雙層多管線探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究設(shè)計(jì)了不同介質(zhì)、不同管線組合方式的雙層多管線的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案.為了更加準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)在土槽中進(jìn)行，圖槽的設(shè)計(jì)尺寸為3 m×1.5 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高).進(jìn)一步為了避免土槽壁反射波的影響，實(shí)驗(yàn)只限于土槽中部1 m范圍內(nèi)[7].不同介質(zhì)作用下雙層多管線探測(cè)模型如圖1所示.在實(shí)驗(yàn)中，本研究使用不同管徑的PVC管來模擬管線，管線的直徑和埋深如圖1所示.圖1(a)為填土介質(zhì)下雙層多管線探測(cè)模型，管線的水平間距為200 mm；圖1(b)為填土介質(zhì)下雙層并列管線探測(cè)模型，上層管線為雙管線，下層管線為三角形布置；圖1(c)為填土介質(zhì)下斜向管線探測(cè)模型，上層1#、2#、3#管線為斜向管線，間距為1倍管線直徑，距下層管線的距離150 mm；圖1(d)為鋼筋網(wǎng)(Φ8@150)介質(zhì)下雙層多管線探測(cè)模型；圖1(e)為鋼筋網(wǎng)(Φ20@200)介質(zhì)下雙層多管線探測(cè)模型.

圖1地下雙層多管線探測(cè)模型示意圖

2 檢測(cè)結(jié)果及分析

2.1 填土介質(zhì)下雙層多管線探測(cè)模型

圖2為測(cè)線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖2填土介質(zhì)下雙層多管線雷達(dá)掃描圖像

從圖2(a)可知，上層1#、2#管線相互重疊，4#、5#管線相互重疊，3#管線圖像未受到兩側(cè)管線的干擾，圖像為典型雙曲線形式.下層6#、7#管線圖像疊加成一個(gè)反射波，反射波在頂部發(fā)生錯(cuò)段，這是由于下層管線距離上層管線僅有150 mm，受上層管線的干擾較大.此時(shí)，應(yīng)結(jié)合單道波形圖對(duì)管線的數(shù)量進(jìn)行判斷，否則極易判斷為一根大管線.從圖2(b)可知，上層1#、2#、3#、4#、5#管線反射波無(wú)相互重疊.下層6#、7#管線雖然有部分重疊，但仍然可以分辨出來.上層管線1#、5#的直徑僅為75 mm，下層6#、7#管線的埋深為450 mm，這些管線都可以被清晰辨別，說明在探測(cè)深度較小時(shí)，900 MHz天線具有較好的識(shí)別能力.通過右側(cè)標(biāo)尺可以看到，上層管線的影響深度主要集中在150～250 mm之間，影響深度約為100 mm.

2.2 填土介質(zhì)下雙層并列管線探測(cè)模型

圖3為測(cè)線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖3填土介質(zhì)下雙層并列管線雷達(dá)掃描圖像

從圖3可知，上層1#雙管線、2#雙管線、3#雙管線單根管線反射圖相互重疊成一條雙曲線，這是由于單根雙管線的直徑小于160 mm，探地雷達(dá)不能分辨出單根管線所致.下層4#三管線為三角形布置，反射圖像雖然呈典型的雙曲線形式，但在翼緣發(fā)生錯(cuò)段.通過模型圖可知，雙曲線的頂點(diǎn)應(yīng)在350 mm處，但在反射圖像上很容易判斷450 mm處為雙曲線的頂點(diǎn)(十字標(biāo))，此時(shí)應(yīng)該通過雙曲線翼緣反向延伸來確定管線的位置.上層左側(cè)1#雙管線的直徑為110 mm，右側(cè)3#雙管線的直徑為40 mm，下層4#三管線右側(cè)翼緣比左側(cè)翼緣清晰，受到的干擾小.相比圖3(a)，圖3(b)的清晰度明顯較高.由于下層4#三管線距離上層雙管線僅僅100 mm，處于干擾范圍內(nèi)，所以4#管線頂部受干擾嚴(yán)重.

2.3 填土介質(zhì)下斜向管線探測(cè)模型

圖4為測(cè)線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.探測(cè)時(shí)，斜向管線與測(cè)線呈45 °夾角.

圖4填土介質(zhì)下斜向管線雷達(dá)掃描圖像

從圖4可知，上層1#、2#、3#管線反射圖相互獨(dú)立無(wú)疊加，下層4#管線呈雙曲線形式，5#管線只能分辨出右側(cè)翼緣.與上下層管線平行放置相比，雙曲線的頂部未出現(xiàn)錯(cuò)段現(xiàn)象.從波形圖中也可以看出，在下層4#與5#管線位置，雷達(dá)波振幅突然增強(qiáng).相比圖4(a)、圖4(b)清晰且兩側(cè)翼緣較短，只保留了雙曲線的頂部，能夠準(zhǔn)確地判斷出管線的位置.

2.4 鋼筋網(wǎng)(Φ8@150)介質(zhì)下雙層多管線探測(cè)模型

圖5為測(cè)線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖5鋼筋網(wǎng)(Φ8@150)介質(zhì)下雙層多管線雷達(dá)掃描圖像

從圖5可知，在鋼筋網(wǎng)介質(zhì)的干擾下，上層1#、2#、3#、4#、5#管線反射圖像退化為鋸齒狀波形圖，形成雜亂的反射波(類似于雙曲線反射波形)，因此只能通過反射波的頂部判斷出管線個(gè)數(shù).下層6#、7#管線反射圖像相互疊加形成一條新的雙曲線，但此雙曲線同向軸發(fā)生錯(cuò)段，仍能分辨出6#、7#管線.通過左側(cè)標(biāo)尺可以看到，下層6#、7#管線位于550 mm處，與模型圖相比，其位置降低100 mm，出現(xiàn)較大誤差.在填土介質(zhì)下，雷達(dá)波速為0.105 m/ns，通過換算在鋼筋網(wǎng)介質(zhì)下波速為0.085 m/ns，可見鋼筋網(wǎng)介質(zhì)作用下雷達(dá)波傳播速度降低.

2.5 鋼筋網(wǎng)(Φ20@200)介質(zhì)下雙層多管線探測(cè)模型

圖6為測(cè)線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖6鋼筋網(wǎng)(Φ20@200)介質(zhì)下雙層多管線雷達(dá)掃描圖像

從圖6可知，在鋼筋網(wǎng)介質(zhì)作用下，隨著鋼筋直徑的增加，盡管間距增大為200 mm，上層管線反射波形圖畸變?yōu)殇忼X狀，較難分辨出單根管線，但仍能看出此處存在缺陷.下層6#、7#管線相鄰的翼緣雖然相互疊加，但可以分辨出6#、7#管線的雙曲線頂部，可以確定6#、7#管線位置.該模型雷達(dá)波速度設(shè)置為0.085 m/ns，下層管線位置與模型圖基本相同.

3 結(jié) 論

本研究利用探地雷達(dá)對(duì)不同介質(zhì)作用下的雙層多管線模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并得出如下結(jié)論：900 MHz天線的分辨率較高，且識(shí)別能力強(qiáng)，所以適用于較小深度的探測(cè)；上層管線對(duì)下層管線的影響程度取決于兩層管線的垂向距離，距離越大，影響越小，管線的影響深度一般為100 mm；鋼筋網(wǎng)介質(zhì)對(duì)波速的影響較大，被檢測(cè)物種若存在鋼筋網(wǎng)，雷達(dá)波速應(yīng)小于0.1 m/ns.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋網(wǎng)介質(zhì)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果有很大的影響，當(dāng)管線距離鋼筋網(wǎng)較近時(shí)，只能定性判斷出管線.所以在檢測(cè)過程中，若遇到鋼筋網(wǎng)介質(zhì)時(shí)，應(yīng)將測(cè)線布置成測(cè)線陣，以此來提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

[1]王勇.城市地下管線探測(cè)技術(shù)方法研究與應(yīng)用[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2012.

[2]孫偉.地下管線探測(cè)數(shù)據(jù)處理及可視化技術(shù)研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué),2012.

[3]趙得杰,張永濤,郎海鵬.探地雷達(dá)在填土下部空洞檢測(cè)中的試驗(yàn)研究[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,34(2):204-208.

[4]李杰.城市地下管線探測(cè)技術(shù)及質(zhì)量控制研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),2013.

[5]余海忠,歐陽(yáng)宇峰,陳鴻，等.探地雷達(dá)地面干擾波二維濾波處理方法研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(4):1738-1742.

ResearchofGroundPenetratingRadarTechnologyinUndergroundDouble-layer-pipelineDetection

ZHAODejie1，ZHANGYongtao2

(1.The Fifth Design Branch, China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd.，Tianjin 300133，China；2.China State Construction International Investments(China) Limited, Shenzhen 518000, China)

Nowadays,the ground penetrating radar technology is widely used in underground double-layer-pipeline detection.However,it is pretty hard to identify the pipelines due to the influence of different mediums or different compound modes.Consequently,the tests on the double-layer-pipeline are carried out under various circumstances such as different medium or different compound mode in laboratory.What's more,image illustration is also done.The tests demonstrate that the ground penetrating radar can clearly identify the double-layer-pipeline.

double-layer-pipeline;filling;image analyzing;ground penetrating radar

TU990.3；P631.3

A

1004-5422(2017)04-0431-03

2017-10-05.

趙得杰(1990 — )，男，碩士，從事城市交通路基結(jié)構(gòu)與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究.