地质雷达在复杂公路探测热力管线的研究及应用

王佳，缪爱伟

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100144)

地质雷达在复杂公路探测热力管线的研究及应用

王佳∗，缪爱伟

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100144)

基于地质雷达探测原理，论证地质雷达用于复杂公路管线探测的可行性。针对北京望京地区复杂公路，采用SIR-20型地质雷达对施工面地质情况、管线平面位置和埋深进行实测，探测结果表明:相对介电常数较大的目标体吸收周围介质的电磁波信号；最大反射雷达波强度出现在管线顶部；底部产生的雷达波图像中“弧形”宽度大于顶部。基于以上研究，提出针对复杂公路管线探测的设计方案及事故处理措施，同时结合现场制定地质雷达测试热力管线方案。研究结果验证了利用地质雷达探测热力管线的可行性，为后续安全动态施工设计提供了依据，也为地质雷达在复杂公路管线探测方面积累一定的经验。

复杂公路；地质雷达；热力管线；雷达波

1 引 言

随着经济的发展和人们生活水平的不断地提高，越来越多的人开始涌向城市或组建新社区，这使得对于城市建设的有效利用率要求更高，与地下管线的疏通和铺设相配套的工程技术也在逐渐提高。从而，对于在不进行大开挖的情况下，探明各种管线的位置、走向、埋深成为当前研究的重要课题。众所周知，传统的管线探测技术大多应用于金属质管线的探测，对混凝土管、塑料管等测试结果与实际不符，存在一定的局限性。近些年来，GSSI地质雷达技术(Ground Penetrating Radar)开始应用于城市地下管线的探测[1]。GPR探测技术因其应用范围广、易于操作、属无损探测等特点等到了业界工程技术人员的认可，同时其准确的探测结果也为后续的工程进度安排、安全性管理提供了理论依据。

2 地质雷达探测原理及探测热力管线的可行性

2.1 地质雷达探测原理[2，3]

地质雷达(GPR)是基于地下介质的电性差异，利用超高频窄脉冲电磁波进行探测、处理、分析所探测物体内部不可见目标体或介质分界面的一种工程物探技术。其主要由发射天线往地下发射高频电磁脉冲波，当遇到存在电性差异的目标体(空洞、断层裂隙、管道等)的电性介面时，就有部分电磁能量被反射折向地面，被接收天线接收。地质雷达接收到的信号通过模数转换处理后送到计算机，经过滤波、增益恢复等一系列数据处理后形成雷达探测图像。通过分析这些携有地下介质电性特征信息的电磁波，即可推断地下介质的层位、结构和空间分布特征，探测原理如图1所示。通过同相轴追踪可以测定电磁波从发射到接受的时间间隔T。根据地下介质的电磁波传播速度V和时间间隔T，计算公式如下:

式中:H为探测目标体与接触面间的距离(m)；x为发射天线和接收天线间距(m)；V为介质中的电磁波速度(m/s)。

图1 地质雷达探测原理示意图

地质雷达的工作前提是探测对象与周围介质间存在着明显的电性差异，雷达波在介质中的传播速度V与介质的相应的电磁性参数有如(2)式的关系:

式中:V为介质中的电磁波速度；c为真空中的光速(m/ns)；εr为介质的相对介电常数[4](见表1)。

与围岩相关的介质物理参数表 表1

实际上，电磁波是由于介质界面两侧的介电常数存在差异而产生反射和折射现象，反射信号的强弱取决于差异的大小。

2.2 地质雷达探测热力管线的可行性

进行复杂公路热力管线的探测时，路面上覆坚硬岩土层属于高阻抗体，雷达电磁波在发射至目标体的过程中，遇到不同波阻抗界面都将产生反射波和折射波，而反射系数R是决定反射波能量的大小的关键因素，反射系数R与介质的εr存在如下关系[5]:

式中:εr1和εr2分别为反射界面两侧介质的相对介电常数。由式(3)可知，反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质介电常数的差异程度，差异程度越大反射系数越大，电磁波的反射越强烈，介质间界面越易于分辨。一般目的体的功率反射系数应不小于0.01。

由于所探测热力管线处于路面下，管线上不是不同材料铺设的路面层，分界面必存在裂隙，且其中充满空气或水等杂质，显然，无论围岩裂隙内填充物是空气还是水，与管线的相对介电常数相比都较小，雷达发射的电磁波经过分界面时必然发生强烈反射，且在其中呈现一定的规律的传播，有明显同相轴，于是从收集处理的雷达探测剖面图上即可确定管线埋设位置及深度，因此地质雷达探测复杂公路下热力管线在理论上是切实可行的。

3 管线的地质雷达波特征[6～10]

与其特殊地质体的反射波呈现得同相轴不连续、波形杂乱不同，地下管线的反射波同相轴呈向上凸起的弧形，顶部反射振幅最强，弧形两端反射振幅最弱，不同的材质的管线的反射波特征不同。管内是否充水，其波形特征亦不同，若充水，则亦出现波形的极性反转，管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大。

3.1 金属质管线雷达波特征

地层的电性参数大多较小，而金属管线的介电常数大，电导率极强，衰减同样很大，金属管顶反射出现极性反转，管线顶部反射信号较强，但管底的反射信息不存在(如图2所示)。根据实际探测数据表明，金属管线的雷达波图像中“弧形”的宽度与管线直径成正比例关系。

图2 相距较近的三条金属管线雷达波图像

3.2 非金属质管线雷达波特征

非金属质管线大部分为混凝土管、陶瓷管、PVC塑料管等。采用非金属管的地段道路下地层一般含有水，在这样的地质条件下，非金属管线同样会产生极强的反射。但与金属质管线相比，其相对介电常数、电导率和衰减较小，所以反射信号较弱，雷达波图像中“弧形”宽度也较窄；但管线顶部无极性反转，管底也会反馈信息，如图3所示。

图3 非金属管线与金属管线雷达波图像对比

4 地质雷达探测复杂公路实例分析

4.1 公路工程概况

本文以北京朝阳区望京段城区主干道为研究对象，根据公路使用任务、功能和当前交通量，此公路为6车道的二级公路，因此交通量大，车次通过频率较高；同时需探测的路段旁正在进行道路施工，有隔板遮挡，道路结构层为路面沥青、灰石路基、灰土层等，且施工路面铺设厚重铁板。探测公路的复杂性使得工作开展较难，探测距离较短，路面的铁板同样对电磁波产生了干扰，因此对技术要求较高。

4.2 探测仪器与探测方案布置

(1)探测仪器

根据工程的场地情况，采用美国GSSI地质雷达(SIR-20型)进行探测，其主要工作技术参数选为: 100 Hz屏蔽天线，天线间距离0.5 m，记录时间为500 ns，叠加次数为1次，采样率1 600 ps。

(2)复杂公路探测方案布置[9]

当前公路施工主要在探测路段的一侧，路中央有栅栏遮挡，为不影响施工，以6车道中偏离施工段5道为地质雷达布置路线，由东向西依次布置5个待测断面进行按序测试，测试按车通行方向:先是由南到北，栅栏另一侧采用相反方向；而后为确保探测的准确性，东西避开铁板进行2个断面测试。

4.3 探测结果及分析

采用SIR-20对方案待测断面进行连续采集，并采用美国GSSI研制的RADAN6600对所采集的数据进行数据编辑、振幅增减、数字滤波、偏移处理等一系列旨在突出有效目标的处理，最终输出地质雷达时间剖面图，由于中间1～4带侧面对称，2、3、5断面处有铁板干扰，故而选取1探测剖面图为研究分析对象，如图4、图5所示。

图4 测试断面1下管线地质雷达波图像

图5 测试断面1相应雷达记录频谱图

通过图4所反映出来的信息可知，雷达波图像中有两道明显的电磁波，且顶部反射雷达波信号比管底强，白色表示雷达波反射信号强，；同时，依据上述研究结果对照得出此复杂公路下热力管为非金属质管线，管线走向为东西向。将探测数据和介质物理参数代入式(1)和式(2)中得出:管线埋深为1.76 m；现场开挖后，对断面1处热力管线到公路面间的距离进行测量，测得结果为1.82 m。两种结果基本吻合，证明了地质雷达探测结果的可靠性。

5 结 语

上述理论研究与实例结果对比可以得出以下几点结论[11]:

(1)获取的地质雷达扫描图的图像质量与其探测深度成正相关，因此，当变化时需要对地质雷达反射波进行数字滤波、调整增益系数等处理措施后才能得到满意的结果。

(2)与普通场地下热力管线相比，复杂公路下管线的埋设根据受干扰程度大小成倾斜状；最大反射雷达波强度出现在管线顶部；底部产生的雷达波图像中“弧形”厚度大于顶部。

(3)相对介电常数大的目标体吸收相对较小的介质的电磁波信号。

(4)公路现场复杂的地质条件，导致了雷达探测结果与实际情况存在一定误差，为了保证探测结果的准确性，应尽量采用有效可行的操作方法。

[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社，1994.

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[4] 刘四新，佐藤源之.井中雷达的数值模拟[J].吉林大学学报·地球科学版，2003，33(4):545～550.

[5] 倪章勇，李海.地质雷达解释隧道衬砌空洞大小的定量研究[J].铁道勘察，2010，36(1):59～61.

[6] Teixeira FL，Chew W C，Straka M，et al.Finite-difference time-domain simulation of Ground Penetrating Radar on dispersive，inhomogeneous，and conductive soils[A].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1998，36 (6):1928～1937.

[7] 吴俊，毛海和，应松等.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J].岩土力学，2003，24(S1):154～157.

[8] 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(S1):65～68.

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宁波市测绘设计研究院科技成果获国家测绘科技进步一等奖

(本刊讯)日前，中国测绘学会科学技术奖励委员会公布2013年测绘科学技术奖励决定，宁波市测绘设计研究院与武汉大学联合课题组完成的“车载激光扫描与全景成像城市测量系统”项目荣获中国测绘学会测绘科技进步一等奖。全国测绘科技进步奖主要奖励在我国测绘科学研究、技术创新与开发及科技成果推广应用等方面作出突出贡献的项目、单位及个人，此次获奖是宁波市测绘设计研究院“十五”以来获得此奖项的第十三次，而且是等级最高的一次。

“车载激光扫描与全景成像城市测量系统”又称“地理信息采集车”，该系统集成了GPS接收机、激光扫描仪、惯性导航装置、全景相机、里程计等传感器，开发了点云处理等专业软件，构成了车载三维移动测量系统。车辆在行驶中，通过激光扫描和数码照相的方式快速采集地形、地貌、建筑或其他目标区域的整体空间位置数据、属性数据和影像数据，并同步存储在系统计算机中，经专门软件编辑处理，形成所需的点云模型数据、属性数据和影像数据。

该系统2011年立项，2012年硬件设备到位后，联合课题组研发完成车载数字地形测量、车载建筑竣工测量、车载道路竣工测量等9项专用软件，并获得著作权，形成了一整套完善的软硬件和作业解决方案。先后在宁波市智慧城管、城市规划、智慧电网、数字公路、航测图纸检验等领域显露身手，快捷准确、立体可视的效果收到多方好评。2013年3月，系统成果通过有6名测绘院士参加的专家组鉴定，总体研究达到国际先进水平。

该科技成果的应用，解决了建筑物立面、街道街景、路面状况、市政元素等空间综合信息的快速获取及众多工程建设所需的高速度、高精度三维测量问题。为促进测绘发展方式转型，实现“办公室测绘”目标，为智慧宁波建设提供了三维空间快速测量手段。

(宁波市测绘设计研究院顾开建、林昀供稿)

Research and Application of GPR in Detection of Heating Pipelines on Comp lex Highway

Wang Jia，Miao Aiwei
(College of Architecture and Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)

Based on test principle of ground penetrating radar(GPR)，the application feasibility for detecting the heating pipelines on complex highway is verified.In accordancewith the complex highway in Wangjing area of Beijing，by using ground penetrating radar of SIR-20 tomonitor the geological situation of construction surface，the plain position of pipeline and the buried depth，the detection shows that:the objects of bigger relative dielectric constant absorbs the electromagnetic wave signal from periphery；themaximum intensity of reflection radar wave appears at the top of pipeline；the“arc”width in radar wave image produced by the bottom of pipeline is bigger than the top.Based on these studies，the design program and accident removal countermeasures for the detection of complex highway pipeline are proposed.Meanwhile，combining with actualmeasurement in field，contrives scheme utilizing ground penetrating radar to detect heating pipelines.It could be verified the feasibility of testing heating pipelineswith ground penetrating radar，provides a basis for the subsequent security dynamic construction design，and accumulates some experience for ground penetrating radar detecting pipeline on complex highway.

complex highway；ground penetrating radar(GPR)；heating pipelines；radar waves

1672-8262(2013)05-164-04

P631.5

A

2013—07—02

王佳(1986—)，男，在读硕士研究生，主要从事岩土工程安全评价与设计等领域的研究工作。

国家自然科学基金项目(50874104)；国家十二五科技支撑项目(2012BAK09B06)；北京市创新人才项目(PHR201006118)与北方工业大学重点项目联合资助。