地下双层多管线雷达探测实验研究

赵得杰，张永涛

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司 第五设计分院，天津 300133；2.中建国际投资(中国)有限公司，广东 深圳 518000)

地下双层多管线雷达探测实验研究

赵得杰1，张永涛2

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司 第五设计分院，天津 300133；2.中建国际投资(中国)有限公司，广东 深圳 518000)

探地雷达在地下双层多管线检测中应用广泛.但是检测时，往往受到不同介质、不同组合方式的影响，从而导致管线难以分辨.针对不同介质、不同组合方式的双层多管线进行室内实验并进行图像解释.实验结果表明，探地雷达可以清晰地对双层多管线进行辨识.

双层多管线；填土；图像分析；探地雷达

0 引 言

随着地铁、高铁、高速公路及机场等大量基础设施的建设，为了满足工程的要求，必须对其地基进行相应的处理[1]，而此类工程的地基在长期的使用过程中，受自然环境的影响较大，会出现各种病害[2].传统的地基检测方法大多基于破损实验，且只能提供少数点的信息，偶然性较大，很难以经济有效且科学的方式来评价地基的均匀性[3]，而随着科技技术的发展，越来越多的检测技术用于地基质量的检测[4].其中，探地雷达采用高频电磁波来探测介质分布，其以快速、无损且直观的特点成为地基检测的主要工具之一[5].但科研人员对利用该技术所获得的检测图形的解释和缺陷的判断并没有形成统一的认识，对经验的依赖性较高，因此目前还只能作为一种辅助手段[6].对此，本研究特制作了地下双层多管线模型，利用LTD-2100型探地雷达进行实验，用400 MHz和900 MHz天线进行扫描，并对图像进行特殊处理，得出了具有较高实际应用价值的结论.

1 模型设计

为了提高探地雷达对填土中双层多管线探测结果的准确性，本研究设计了不同介质、不同管线组合方式的双层多管线的检测实验方案.为了更加准确地模拟实际情况，实验在土槽中进行，图槽的设计尺寸为3 m×1.5 m×1.5 m(长×宽×高).进一步为了避免土槽壁反射波的影响，实验只限于土槽中部1 m范围内[7].不同介质作用下双层多管线探测模型如图1所示.在实验中，本研究使用不同管径的PVC管来模拟管线，管线的直径和埋深如图1所示.图1(a)为填土介质下双层多管线探测模型，管线的水平间距为200 mm；图1(b)为填土介质下双层并列管线探测模型，上层管线为双管线，下层管线为三角形布置；图1(c)为填土介质下斜向管线探测模型，上层1#、2#、3#管线为斜向管线，间距为1倍管线直径，距下层管线的距离150 mm；图1(d)为钢筋网(Φ8@150)介质下双层多管线探测模型；图1(e)为钢筋网(Φ20@200)介质下双层多管线探测模型.

图1地下双层多管线探测模型示意图

2 检测结果及分析

2.1 填土介质下双层多管线探测模型

图2为测线3使用400 MHz和900 MHz天线所得的空洞图像及单道波形图.

图2填土介质下双层多管线雷达扫描图像

从图2(a)可知，上层1#、2#管线相互重叠，4#、5#管线相互重叠，3#管线图像未受到两侧管线的干扰，图像为典型双曲线形式.下层6#、7#管线图像叠加成一个反射波，反射波在顶部发生错段，这是由于下层管线距离上层管线仅有150 mm，受上层管线的干扰较大.此时，应结合单道波形图对管线的数量进行判断，否则极易判断为一根大管线.从图2(b)可知，上层1#、2#、3#、4#、5#管线反射波无相互重叠.下层6#、7#管线虽然有部分重叠，但仍然可以分辨出来.上层管线1#、5#的直径仅为75 mm，下层6#、7#管线的埋深为450 mm，这些管线都可以被清晰辨别，说明在探测深度较小时，900 MHz天线具有较好的识别能力.通过右侧标尺可以看到，上层管线的影响深度主要集中在150～250 mm之间，影响深度约为100 mm.

2.2 填土介质下双层并列管线探测模型

图3为测线3使用400 MHz和900 MHz天线所得的空洞图像及单道波形图.

图3填土介质下双层并列管线雷达扫描图像

从图3可知，上层1#双管线、2#双管线、3#双管线单根管线反射图相互重叠成一条双曲线，这是由于单根双管线的直径小于160 mm，探地雷达不能分辨出单根管线所致.下层4#三管线为三角形布置，反射图像虽然呈典型的双曲线形式，但在翼缘发生错段.通过模型图可知，双曲线的顶点应在350 mm处，但在反射图像上很容易判断450 mm处为双曲线的顶点(十字标)，此时应该通过双曲线翼缘反向延伸来确定管线的位置.上层左侧1#双管线的直径为110 mm，右侧3#双管线的直径为40 mm，下层4#三管线右侧翼缘比左侧翼缘清晰，受到的干扰小.相比图3(a)，图3(b)的清晰度明显较高.由于下层4#三管线距离上层双管线仅仅100 mm，处于干扰范围内，所以4#管线顶部受干扰严重.

2.3 填土介质下斜向管线探测模型

图4为测线3使用400 MHz和900 MHz天线所得的空洞图像及单道波形图.探测时，斜向管线与测线呈45 °夹角.

图4填土介质下斜向管线雷达扫描图像

从图4可知，上层1#、2#、3#管线反射图相互独立无叠加，下层4#管线呈双曲线形式，5#管线只能分辨出右侧翼缘.与上下层管线平行放置相比，双曲线的顶部未出现错段现象.从波形图中也可以看出，在下层4#与5#管线位置，雷达波振幅突然增强.相比图4(a)、图4(b)清晰且两侧翼缘较短，只保留了双曲线的顶部，能够准确地判断出管线的位置.

2.4 钢筋网(Φ8@150)介质下双层多管线探测模型

图5为测线3使用400 MHz和900 MHz天线所得的空洞图像及单道波形图.

图5钢筋网(Φ8@150)介质下双层多管线雷达扫描图像

从图5可知，在钢筋网介质的干扰下，上层1#、2#、3#、4#、5#管线反射图像退化为锯齿状波形图，形成杂乱的反射波(类似于双曲线反射波形)，因此只能通过反射波的顶部判断出管线个数.下层6#、7#管线反射图像相互叠加形成一条新的双曲线，但此双曲线同向轴发生错段，仍能分辨出6#、7#管线.通过左侧标尺可以看到，下层6#、7#管线位于550 mm处，与模型图相比，其位置降低100 mm，出现较大误差.在填土介质下，雷达波速为0.105 m/ns，通过换算在钢筋网介质下波速为0.085 m/ns，可见钢筋网介质作用下雷达波传播速度降低.

2.5 钢筋网(Φ20@200)介质下双层多管线探测模型

图6为测线3使用400 MHz和900 MHz天线所得的空洞图像及单道波形图.

图6钢筋网(Φ20@200)介质下双层多管线雷达扫描图像

从图6可知，在钢筋网介质作用下，随着钢筋直径的增加，尽管间距增大为200 mm，上层管线反射波形图畸变为锯齿状，较难分辨出单根管线，但仍能看出此处存在缺陷.下层6#、7#管线相邻的翼缘虽然相互叠加，但可以分辨出6#、7#管线的双曲线顶部，可以确定6#、7#管线位置.该模型雷达波速度设置为0.085 m/ns，下层管线位置与模型图基本相同.

3 结 论

本研究利用探地雷达对不同介质作用下的双层多管线模型进行了实验，并得出如下结论：900 MHz天线的分辨率较高，且识别能力强，所以适用于较小深度的探测；上层管线对下层管线的影响程度取决于两层管线的垂向距离，距离越大，影响越小，管线的影响深度一般为100 mm；钢筋网介质对波速的影响较大，被检测物种若存在钢筋网，雷达波速应小于0.1 m/ns.实验结果表明，钢筋网介质对雷达检测结果有很大的影响，当管线距离钢筋网较近时，只能定性判断出管线.所以在检测过程中，若遇到钢筋网介质时，应将测线布置成测线阵，以此来提高检测结果的准确性.

[1]王勇.城市地下管线探测技术方法研究与应用[D].长春：吉林大学,2012.

[2]孙伟.地下管线探测数据处理及可视化技术研究[D].郑州：解放军信息工程大学,2012.

[3]赵得杰,张永涛,郎海鹏.探地雷达在填土下部空洞检测中的试验研究[J].成都大学学报(自然科学版),2015,34(2):204-208.

[4]李杰.城市地下管线探测技术及质量控制研究[D].北京：中国地质大学(北京),2013.

[5]余海忠,欧阳宇峰,陈鸿，等.探地雷达地面干扰波二维滤波处理方法研究[J].地球物理学进展,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.

赵得杰(1990 — )，男，硕士，从事城市交通路基结构与无损检测技术研究.