論地質雷達在城市非金屬地下管線探測中的應用

姜龍

（合肥市勘察院有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在城市化發展迅速的前提下，城市地下空間的利用率也不斷提升，地下管線類型眾多且在用途、材料性質以及尺寸上均存在非常明顯的差異性，因此針對不同類型地下管線需應用的探測技術也會存在一定的差異性。傳統意義上的地下管線探測方法所探測出來的數據無法正確的體現出地下管線的破損狀況，地下管線的鋪設質量也難以得到準確的反應，由此可能導致一系列質量安全隱患的產生，對地下管線探測質量產生非常不良的影響。所謂的地質雷達是采用一種使用高頻寬度的電磁波的探測技術，專門為地下淺層探測所設計的一種探測技術，具有分辨率高、準確可靠、安全無損、快捷連續等一系列優勢，在地下管線探測過程當中具有非常重要的價值，本文就是在對使用地質雷達技術在探測在地下管線中所發現的問題進行分析與探討。地下管線在城市中是最基礎、也最重要的設施，在城市發展中占據重要位置，對城市的運行起著決定性作用，關系著城市的發展格局。地下管線是“城市的生命線”，主要職責不僅是保障內部物質的運輸和信息傳遞，并且還對內部能量的輸送負責。地下管線工作量大且復雜，同時對測量技術也有著高標準、高條件。由于城市化的不斷高度發展，其規模也在不斷擴大，致使地下管線需要不斷增多，才能跟上城市發展，保證城市化水平提高。因此加強探測技術迫不及待[1]。

管線在城市地底下的路線線非常多樣復雜，是城市發展建設的重要環節。由于社會經濟的不斷進步和城市的不斷發展建設，勘查地下管線的任務也面對著新的問題新的難點，這對勘測人員來說是個艱巨的挑戰。埋在城市地下的管線的類別繁多多，主要是給排水管道、熱力、電力、通信、國防電纜等。要想城市在發展和建設的時候保障城市穩定順利發展以及人們的生產順利，必須要有完整、安全的地下管線網圖。但是因為城市步伐不停的進步，以前的地下線路方式已經無法滿足現代城市的發展需要，所以，需要地下管道模式更加的多樣化[1]。為了改變以前的地下管線老化的問題，保障城市的發展需要，需要對現有的城市地下管線進行合理的，科學的拆除，改善和修改，從而滿足現在的城市需求。

1 地質雷達探測方法與關鍵技術

1.1 管道埋深的確定

管道埋深的計算公式為：

式中：H——管道埋深；v——電磁波在土層（或含巖石）中傳播速度；t——電磁波由地表傳至管道與土層（或含巖石）分界面的雙程走時。在測驗工作中，只需知道v，將其輸入計算機，便可經過雷達測驗專用軟件將記載的時刻剖面主動轉變為深度剖面。厚度界面可經過人機對話方法生成。依據管道與土層界面反射波的振幅及相位特征，便能夠確定出管道的頂界面，并大略估算出管道大小規模、埋深，再依據反射波相位特征確定管道底界面[2]。

1.2 測線布置原則

正規狀態下，地下管線的勘探應以垂直于管線的辦法進行。實際勘探中，許多地下管線的位置和深度這些信息都是不知道的，那么怎么合理地規劃區域內的勘探線路與計劃就顯得尤為重要，這關系到地下管線勘探的全面性及勘探的效率。

除此之外還需確定測線間距。測線距離的確定需歸納勘探區域的面積與勘探的具體程度，假如區域中有部分區域是需要要點勘探的應當添加測線的數量，以減小測點的距離。測線距離的規劃與GPR 的天線功能也存在必定的聯系。雷達天線通常可分為：無方向性天線和有方向性天線。前者同時向一樣的方向輻射能量，而有方向性天線以波瓣或波束的方式向外輻射能量，其主要輻射能量的波瓣稱之為主瓣。GPR 天線的主瓣寬度角一般可達90°[3]。由于測量距離的不斷擴大，測量距離之間的盲區也將不斷地增加，探測盲區的面積也隨之增加。測線間距為L，天線主瓣寬度角為θ，探測盲區中最大深度為H，則有如下關系：由上式可知，當地下管線埋深較淺時，測線間距也應減小。地下管線不同于其他探測目標，它截面大小固定、體型上呈細長狀，這些特點更有利于探測，因此在測線間距選取方面也可適當放寬，以減少探測數據，從而大大提高作業效率。

2 地質雷達探測原理

地質雷達是一種用于評估并分析地下介質分布情況的高頻電磁技術。地下雷達探測以地下介質在介電性方面的差異為依據，通過天線發射或接收高頻電磁波信號的方式，利用工作軟件處理所接收信號并成像，從而幫助工作人員得到相應探測結果。應用地質雷達技術進行地下管線探測的基本原理如圖1 所示[4]。

圖1 地質雷達的技術進行地下管線探測的基本原理

在應用地質雷達技術進行地下管線探測作業的過程中，最基礎的操作過程是：由放置于地面的天線面向地下等待測量的地點發出高頻率電磁脈沖信號，在高頻電磁脈沖信號于地下空間內進行傳播的過程當中，若遭遇相對介電常數不同（及有不同電性表現）的界面時，高頻電磁脈沖信號中一部分透射界面并繼續向地下空間其他區域進行傳播，而另一部分信號則在該位置直接反射會地面，由地面所安裝接收天線進行接收并記錄至主機中。在這一操作過程當中，若地下介質波速已知或地下探測空間中介質的相對介質常數已知，則可以根據所測定反射波自發射天線發出至接收天線接受耗時（以下定義為t）的具體結果，計算所地質雷達技術所探測物體的埋深以及具體位置。在這一過程當中，假定T 為發射天線，R 為地面接收天線，H 為地下管線目標體頂部埋設深度，r 為電磁波雙程走時，則可建立如下所示關系，如式（2）所示。

式（2）中，定義屏蔽式發射體現為t，接收天線為r，兩者距離為x，若兩者距離高度相近，即在x 無線趨近于0 的情況下，可將式（2）轉換為式（3）：

根據式（3），若電磁波在介質中的傳播速度v 處于已知狀態，并且電磁發射博的走時的t 可以加以準確計算，則就能夠通過以上方式得到待測定目標物體的深度取值[5]。

3 地質雷達技術的應用價值

3.1 分辨率高

在探測埋在地下的管線的實際過程中，要想有高分辨率而且地下管線分布情況的圖像有高清晰度，那么采用地質雷達探測技術則能夠滿足要求，能夠馬上了解地下管線的實際情況，在準確的探測圖像的輔助下展開科學有效的設計施工作業，強化地下管線設計質量，并更好的為地下管線正式施工提供服務，保障地下管線鋪設的安全性與可靠性[6]。同時，依托于地質雷達技術所提供的高分辨率圖像，當測試整個城市底線管線分布的時候，具有重要的積極作用，支持對城市建設水平的綜合評定與分析[7]。

3.2 準確可靠

地質雷達探測技術的準確性高，在應用地下管線探測的過程中呈現出了連續性的特點，確保所探測地下管線分布數據狀態的完整性與動態性。地質雷達探測技術是對介質以及幾何形態的分析來測量地下管線，以改變電磁場強度以及波形特征，使功能、形態以及性質存在差異的地下管線能夠通過地質雷達探測圖像所呈現出來，給工作人員在對選取地下管線時最優的方案提供理論依據，從而保證管線高質量鋪設，并為后續針對地下管線的高精度探測提供指導。

3.3 快捷無損

地質雷達探測技術在淺層分布探測目標中有良好的適用性，檢測過程安全且缺損[8]。整個檢測過程中，通過對高頻寬譜無損電磁波的發射與接收，來辨別被探測區域中地下介質的分布情況，也可在現代化互聯網輔助技術的支持下，轉移至地面進行探測，發揮地質雷達技術高速反射的功能優勢，方便相關工作人員更為及時與準確的掌握地下管線分布情況，及時對安全隱患進行識別與防控，以促進地下管線探測質量與探測效率的進一步提升與優化[9]。

4 地質雷達技術在地下管線探測中的應用實例

在地下管線探測過程中，工作人員首先需要對探測區域內的地下管網資料進行收集與整理，展開實際調查，安排專人進入地下管線探測區域現場，找到地下井口，然后打開井蓋多拍幾張照片、測量一下深度、做好記錄等。然后，如果現場發現電力管線或者金屬管，應當在愛地下管線儀器輔助下進行電磁感應探測。而針對非金屬性管道，或埋藏深度較深、管徑較大的金屬材質管線，則以應當優先選用通過地質雷達技術進行探測。在當前工程實踐領域中，針對地質雷達探測技術的應用多采用等間隔測點剖面測試的方法，當清楚了探測的地線管線的走向和位置之后，選擇合適的位置進行測線，標注出詳細的測量位置，并與目標管線走向保持垂直狀態確定探測剖面方向。針對存在轉折或分支的地下管線，在地質雷達探測過程中需要沿管線不同方向以及分支方向合理布置測線，在明確管線具體走向以及位置后經交匯法處理，實現對現場探測特征點的合理定位[10]。

例如，受到建設場地施工因素影響，導致地下管線系統中部分污水沉井井蓋被掩埋，為確保施工質量，及時進行疏通，要求工程人員快速且準確定位地下污水沉井井室位置。為達到這一目標，應用地質雷達探測技術對施工現場進行探查。使用100.0MHz 的天線時，窗取樣的長度取值為200.0ns，疊加64 側，測點距為0.02m，所得到地質雷達探測結果。在指數增益模式處理后，所生成地質雷達探測結果中剖面8.0m 位置可見一組明顯異常信號，信號表現為單邊雙曲線性反射波異常信號。對該信號進行時深轉換處理后，異常反射波信號首次出現在1.3m 深度區域，結合現場調查結果將其定位為地下污水沉井井室位置[11]。

5 結語

地質雷達是一種采用了高頻率的高寬度的電磁波地下管線探測技術，可以作為地下淺層深度的測量手段，具有分辨率高、準確可靠、安全無損、快捷連續等一系列優勢，在地下管線探測領域中具有非常確切的應用價值。本文是在分析地質雷達探測過程中的原理的基礎之上，全面論述地址雷達在測量地下管線過程中的優勢，認為在地下管線探測領域中應用地質雷達技術表現出了包括分辨率高、準確可靠以及快捷無損3個方面的優勢，最后講述在地址雷達的實際應用的過程，希望可以引起業內人士的高度關注。