瑞典MALA探地雷达在管线探测中的应用

汤博

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

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瑞典MALA探地雷达在管线探测中的应用

汤博

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

应用瑞典MALA探地雷达进行了地下管线探测的研究。根据地下管线的材质、周围介质及埋设深度的不同选择，不同频率的天线同时设置必要的工作参数，对不同类型的地下管线进行了探测，并对工程实例中典型的管线异常特征进行了分析。

MALA；探地雷达；管线探测

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称CPR）是利用超高频（106～109Hz）脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。经过长期多次的实践，分辨率能够达到地下0.1m，正因其特有的高分辨率探测方法，在浅层与超浅层地质勘查中有着极其广阔的应用和发展。在20世纪90年代初期，探地雷达探测系统的研制水平有所提高，同时引进了国外的先进仪器，因此探地雷达系统在基础工程质量检测、工程地质勘查、地质灾害与考古调查等众多领域中得到越来越广泛的应用与认可，并取得了显著的社会经济效益。

1 工作原理

探地雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～1GHz）电磁技术。探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。高频短脉冲电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。

探地雷达工作时频率很高，在探测的介质中利用位移电流，并遵循波动方程。虽然探地雷达方法与地震方法采用的物理量不一样，但是这两种方法具有相同形式的波动方程，均使用脉冲源，且通过记录地下介质交界面的反射波或透射波来探测地下介质中异常物体的分布，具有分辨率高、无损、操作简便、抗干扰能力强等特点，适用于大多数环境条件。

探地雷达通过电磁波曲线二维映像进行分析，一般来讲，当地下介质均匀、完整并没有管线时，电磁波曲线光滑、相位一致、幅值大小相同；而当地下介质中含有管线时，电磁波曲线在相位、幅值等特征上将发生变化。若地下无管线时，其反射波很弱甚至无反射；当存在管线时，其雷达图像表现为向下开口的抛物线呈伞形状或较强的反射波。通过对这些信息的提取与分析，就可以判断地下是否埋设有管线，并能大致估算其埋深和大小。

2 探测方法

地下管线埋设时大多是以地面开槽或机械顶管等方式埋设，一般埋深在0.5～5m之间。管线周围一般都是回填土或壤土，大多数管径为0.1～1.5m，管道内的都是以水、空气、可燃气体等填充，管道的材质一般为钢、水泥、塑料等工程材料。

在管线比较集中的街道十字路口位置，通过探测可大致确定出地下管线的数量和埋深。当地下管线走向已知时，雷达测线的布置要垂直管线走向。当管线走向不详时可采取交叉布置测线。地下管线探测中一般采用500，300，100MHz雷达天线，测量方法为剖面法。当测垂直地下管线时，地下管线在雷达剖面上呈双曲线形态。金属管线或电缆，因其介电常数与周围土介质的介电常数差别较大，地下管线形成的反射或绕射信号能量强，埋藏较浅的金属管线，在双曲线下伴随有较强的多次波。非金属管线因其相对介电常数与土介质相对介电常数的差别较小，反射波较弱。因此埋藏较浅的地下管线，在地下介质交均匀的条件下一般都有较好的探测效果，而对埋藏较浅的地下管线，探地雷达的探测仍有较大的难度。

3 参数设置

试验采用的探地雷达属瑞典玛拉公司（MALA GEOSCIENCE）。天线的中心频率为100～1600MHz，时窗范围为0～200ns，雷达脉冲宽度为0.5～10ns，脉冲间隔为1×104～5×104ns，脉冲幅值达100～150V。雷达配有4套天线，以适应不同介质的探测要求。

采用的天线频率以探测目标管线深度和空间分辨率所决定。天线频率按式（1）计算:

式中x为空间分辨率（m）；E为管线周围介质的相对介电常数估算。

在城市或农村的管线探测中，管线埋深的区间0.3～2.0m之间，管径一般都在100mm以上，由式（1）计算得出天线频率应选择400MHz。但是一般都采用500MHz屏蔽天线，虽然这样探测的分辨率有所提高，但容易对1.5m深度以下的管线造成漏测。如果要加深探测深度，可以采用250MHz屏蔽天线，探测深度可达5m，但对100mm以下管线就失去了探测能力。

本文采用数据后处理软件为Reflexw2D，主要处理步骤为：①去直流漂移，去除信号深部振幅上的常数偏移；②静校正切除，去除水平信号(有直达波信号，有固定源干扰，有仪器自身的干扰信号等，这些信号的所有特征就是水平且振幅一致的信号)，也叫水平滤波；③自动增益控制，按窗口长度分段放大深部的反射信号的振幅；④带通滤波，用来去除整个信号频段范围内无用的频段信号，有高截频和低截频两个选择；⑤滑动平均，用来剔除信号里的噪声和毛刺，让图像更加干净和平滑。

4 工程实例

天津市武清区某居民小区内探测PE材质燃气管线的雷达剖面图如图1。现场综合考虑管线直径和探测深度，采用500MHz频率的屏蔽天线，雷达图像中灰框处反射较为强烈，表现为向下开口的抛物线，与周围平行的同相轴形成明显异常特征，据此判断此处为管线的特征反映，根据附近燃气调压井里的管线走向验证了此处为燃气管线。

图1 天津某小区燃气管线雷达剖面图

秦皇岛市抚宁县探测的PVC材质的输水管线雷达剖面图如图2。现场综合考虑管线直径和探测深度，采用500MHz频率的屏蔽天线，雷达图像中灰框处反射强烈，表现为向下开口的抛物线呈伞形状，与周围平行的同相轴形成明显异常特征，据此判断此处为管线的特征反映，现场根据图中红框处的异常特征位置开挖验证，确定为埋深0.6m的输水管线。

图2 抚宁县输水管线雷达剖面图

5 结语

探地雷达的发展主要得益于其广泛而有效的应用，在地下管线探测的应用中其效果也非常显著，具有探测准确、快速、高效、无损等优点，尤其对金属管线的探测效果尤为突出，同时也是PVC、PE、混凝土等非金属管线探测的首选工具。但由于探地雷达的工作原理限制了一定的场地和地质条件，使得探测效果并不理想，所以在管线探测的工作中需要综合考虑现场探测条件并能够与其他管线探测设备配合使用，以达到更好的探测效果，避免了漏测或误测。

［1］钱荣毅.探地雷达在非金属管线探测中的应用［A］.地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会［C］.2005.

［2］冯新，周晶.RAMAC探地雷达在地下管线探测中的应用［A］.地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会［C］.2005.

［3］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社,1994.

［4］王秀明.应用地球物理方法原理［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［5］曾昭发.探地雷达方法原理及应用［M］.北京：科学出版社，2006.

App lication of ground penetrating radar for detecting pipeline

TANG Bo
（Hebei Research Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Swedish MALA ground penetrating radar（GPR）is applied in this article has carried on the research of under-ground pipeline detection.According to thematerial of underground pipeline and the surroundingmedium and the different choices of differentembedding depth,different frequencies of the antenna at the same time setup necessary working param-eters,the different types of underground pipeline detection,and the anomaly characteristics of the engineering examples of typical pipeline are analyzed.

MALA；ground penetrating radar；detecting pipeline

P624

B

1672-9900（2015）01-0095-02

2015-01-21

汤博（1986-），男（汉族），河北唐山人，助理工程师，主要从事工程物探与工程检测工作，（Tel）13821242652。