探地雷达在地下管线探测中的应用

引言

城市地下管线探查是城市规划、建设、管理的一项重要基础工作。通过地下管线探查, 可查明地下管线的分布现状, 为城市地下空间的合理开发利用、综合管理、城市数字化等奠定坚实的基础。地下管线采用了越来越多的新型管材如PVC和PE管等非金属材质。实际工作中, 使用传统管线探测仪, 其方法的单一性也越来越突出[1]。相比, 探地雷达在地下地下管线探测中, 针对非金属管线探测上具有明显优势[2]。

探地雷达在非金属管线的探测过程中, 其准确性易受场地地质条件、现场条件、和探测目标体的管径及埋深的影响[3,4]。

1、探地雷达原理

探地雷达如图1, 它通过发射天线向被检测体内部发射高频电磁波脉冲, 此脉冲在向被检测体内部传播过程中遇到介质的介电常数变化的界面时会产生反射。接收天线接收到返回被检测体表面的反射波, 将其传入仪器进行显示和记录, 再经过资料后处理便可得到被检测体内部不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。由此可根据反射波的旅行时间 (双程走时) 、幅度、波形特点及介质电磁波速度等资料, 推测地下管线的平面位置和埋深[5,6]。

2、方法技术简介

现在市场上使用的探地雷达主要由四个部份部份组成:雷达主机、雷达天手、工作电脑、推车等, 如意大利IDS公司RIS系探地雷达、美国GSSI公司生产的SIR系列探地雷达。实现了操作简便, 数据采集及处理一体化、操作界面人性化等功能, 处理软件会实现滤波和增益自动化, 可提供优质高分辨率的雷达图像。

实际工作前应收集相关的管线信息, 调查目标管线的埋深、管径、材质、施工排列顺序等信息, 了解管线埋深区域的地质概况。通过试验, 选择好视窗, 做好背景场的扫描工作[7]。

针对目标管线做好测线布置, 开始采集数据, 当发现雷达图像呈现双曲线时, 同时在雷达图上和测线上雷达天线上中线打上标记。

3、探地雷达工作地球物理前提

城市道路路面材料主要为沥青或水泥, 人行便道以水泥方砖或水泥为主, 其下部土层主要为回填土, 多夹杂着大量的块石及建筑垃圾, 部分道路是在旧城改造基础上修建, 地下残留大量的原建筑基础, 是引起地下介质极不均匀的主要原因。

根据方法试验、开挖验证及经验统计学结果, 土层波速度一般在0.08m/ns到0.095m/ns之间。空气的介电常数为1, 金属材质管线与周边土层介电常数比差很大, 电磁波在传播过程中遇见金属管线会在其表面发生全反射, 管道内无反射, 电磁波波速为0;非金属材质管线和周边土层介电常数也存在差异, 混凝土介电常数为5-7, 含水土层介电常数为10-15, 非金属管线主要为钢筋混凝土、铸铁及塑料等, 内部通常充填水或气体, 与周围土质存在明显的电磁性差异, 这些差异的存在, 为我们开展探地雷达工作测提供了良好的地球物理前提。

电磁波在介质中传播, 通过不同介质时会发生反射、折射、衍射等现象。当电磁波从波速大 (介电常数小) 的介质进入波速小 (介电常数大) 的介质时, 其反射系数为负, 反正为正。一般而言非金属反射较弱, 金属管线为全反射, 振幅强。

4、典型地质雷达目标体的图像异常

4.1 双曲线反射

探地雷达在实际工作中, 其天线垂直同过目标管线时, 雷达图像会呈现双曲线的反射图像, 形成了双曲线形状异常。雷达图像上双曲线异常的顶点位置代表所探测管线的顶端位置, 其平面位置为双曲线异常的顶点对应测线上的位置, 深度通过雷达图像视窗上的坐标读取。

4.2 衍射

探地雷达天线工作室发射电磁波, 其在通过四方型目标体时候, 会发生衍射特征, 电磁波同相轴会发生整体的偏移现象, 雷达图像异常可从方型目标体角边被观测到。当当周围介质较均一时, 反射特征会非常复杂, 衍射特征也会不清晰。

5、典型图像分析

经过长期的工作总结, 主要雷达图像异常典型代表有以下几类:

5.1 近距离平行管线

从图2上可知, 该剖面切过5条管线, 分别为测线0.95m位置埋深0.6m的通信管块、测线1.2位置埋深0.8m的通信管块、测线2.4位置埋深0.6m的通信管块、测线3.1m位置埋深0.35m的路灯管线、测线4.5m位置埋深0.35m的交通信号管线。3个通信管块双曲线反射强, 曲线完成、明显、双叶长, 有多次波;右侧路灯和交通信号管线埋深较浅, 出现多次波, 交通信号管线有预留管, 深部有多次强反射异常。

5.2 非金属管线 (燃气、给水)

图3为同一测线不同仪器天线雷达图像。图3a探测中使用RIS—K2雷达200MHz天线。从雷达图像可知, 该剖面切过2条管线, 分别为测线0.50m位置埋深0.75m的给水管, 材质为铸铁、管径200mm;测线2.90m位置埋深0.8m的燃气管, 材质为钢、管径200mm。两条管线双曲线完成、明显、双叶较短, 反射较波弱, 无多次波反射。

图3b探测中使用SIR-20雷达100MHz天线。从雷达图像图可知, 该剖面切过2条管线, 分别为测线2.65m位置埋深0.75m的给水管, 材质为铸铁、管径200mm;测线4.20m位置埋深0.8m的燃气管, 材质为钢、管径200mm。两条管线异常完整、明显、管线周边雷达图像同相轴连续向差, 反射波弱, 推断为管道开挖回填造成土层密实差或含水。

探地雷达可准确定位非金属、浅埋深、小管径目标管线, 200MHz天线双曲线更加明显, 分辨率高, 小管径管线定位优于100MHz天线;100MHz天线对管线施工后引起周边土层扰动异常反应明显。

5.3 大口径管线 (给水)

图4为同一测线不同仪器天线雷达图像。从图4a可知该剖面切过1条管线, 为测线2.00m位置埋深1.10m的给水管, 材质为塑料、管径1000mm。该管线一次反射双曲线完成、明显、双叶较短, 反射波弱, 二次反射双曲线反射强, 曲线完成、明显、双叶长。

图4b经过滤波处理可知, 该剖面切过1条管线, 为测线2.50m位置埋深1.20m的给水管, 材质为塑料、管径1000mm。该管线一次反射双曲线完成、明显、下方有多次反射, 管线周边图层有脱空或比密实异常。

图4c可知, 该剖面切过1条管线, 为测线2.60m位置埋深1.30m的给水管, 材质为砼、管径800mm。该管线双曲线完成、明显、双叶较短, 右测有干扰波。

探地雷达可以准确定位非金属大管径目标管线, 200MHz天线双曲线更加明显、突出, 分辨率高, 管线定位优于200MHz天线;100MHz天线双曲线更加明显, 周边土层扰动异常反应明显, 可用于给水、排水管线漏水造成的管线隐患排查。

5.4 地下暗渠、箱涵

图5a可知, 暗渠雷达图像在渠边处同相轴会出现整体错位, 后呈有限平板状, 下面出现多次强反射。整体同相轴呈两端对称开口抛物线夹中间平板状特点。

图5b可知测线切过暗渠和1条管线, 暗渠雷达图像在渠边处同相轴会出现整体错位, 然后呈有限平板状, 下面出出现多次强反射。管线在测线9.00m位置埋深2.50m的排水管, 材质为通、管径1200mm。该管线一次反射双曲线完成、明显、下方有多次反射。

探地雷达异常都明显、突出, 可以准确定位暗涵等目标体。

6、结语

探地雷达对干扰小、浅埋深, 非金属管线探测效果良好。大口径管线在一定埋深范围内探测效果明显。针对不同种类、不同管径的管线, 应合理采用不同频率天线开展探测工作。

探地雷达可以高效探测地下金属和非金属管线及异常体, 对城市地下管线探测中无法进行钎探、开挖路段、信号弱的地下管线探测方法的有效补充。

现代城市线管种类繁多, 材质各异, 分布交错, 道路层状界面的反射及回填土中不均匀介质产生的干扰, 会影响探地雷达的判别效果。实际探测中, 应仔细分析现场的实际情况, 结合开挖验证, 减少失误, 提高精度。

摘要：探地雷达作为一种的无损探测方法, 在地下管线探测过程中得到了广泛的应用。本文结合探地雷达在城市地下管线探查中典型案例分析, 探讨一些工作方式和解释方法, 为探地雷达在各地下管线探测中准确高效的识别图像异常提供借鉴。

关键词：探地雷达,管线探测,非金属,典型图像

参考文献

[1] 杨剑, 李华, 焦彦杰.探地雷达在城市地下管线探测中的应用[J].物探化探计算技术, 2010, 32 (6) :669-674.

[2] 王明德.地质雷达在管线探测中的应用[J].工程地球物理学报, 2009 (6) :65-69.

[3] 张汉春, 曹震峰.沙堆内小型管线的探地雷达模型实验研究[J].地球物理学进展, 第25卷04期2010.8, 1516-1521.

[4] 张汉春, 曹震峰.RIS-K2探地雷达在地下管线竣工测量中的应用[J].工程地球物理学报, 2007.4 (05) :395-399.

[5] 张进华, 马广玲, 姚成虎.探地雷达在地下管线探测中的应用[J].城市勘测, 2004, 26 (3) :8-10.

[6] 代启林, 化得钧, 李娟.探地雷达在含水地下管线探测中的研究[J].工程勘察, 2014, 42 (9) :94-98

[7] 杜良法, 李先军.复杂条件下城市地下管线探测技术的应用[J].地质与勘探, 2007, 43 (3) :116-120.