探地雷达在城市地下管线探测中的应用

王心贵

摘 要：掌握地下管道现状，保障其数据信息精准性，能够为城市规划建设，工程建设以及应急救援等城管发展提供良好的基础数据支持。基于此，从地下管线探测基础理论方法方面，对现有的管线探测方法进行分析与总结，进一步结合某市的地下管线探测工程实例，探讨电磁法、雷达法在地下管线探测中的应用。

关键词：探地雷达;城市地下管线;探测;具体应用

中图分类号：TU459                              文献标识码：A                                        文章编号：2096-6903（2022）09-0120-03

0 引言

在城市道路的施工中，其沿线的地下管线探测是多见的检测任务之一。城市道路地下管网使用的管线有非金属管（混凝土管线、PVC管线）、金属管线、等不同材质，并且由于管线粗细不一、埋深深浅不一、地下介质杂乱、含水不一等原因都会增大管线探测的难度，给施工过程带来影响，稍有不慎挖断管线不仅对城市交通造成严重的影响，还会给周围居民生活带来极大的困扰。鉴于此，给对探地雷达在城市道路地下管线探测中的应用提出了一些建议，仅供参考。

1 探地雷达基本原理

探地雷达属于地球物理方法之一，主要通过天线对高频电磁波进行反射及接收的方式，对介质内部物质分布规律及特性进行探测，其英文总称为“Ground Penetrating Radar”，简称“GPR”。GPR是近些年迅速发展起来的无损探测技术，具有高分辨及高效率的特征，是现阶段处理非金属管线探测困难最好的一种技术方式[1]。电磁波出现反射，对于反射回的电磁波，地面天线将对其进行信号处理及分析，结合信号各方面参数对地下目标的位置等进行推断，进而全面且有效地探测地下管线。

2 探地雷达不同条件下的适用性分析

2.1 探地雷达方法试验

本次探地雷达探测试验工作，使用美国GSST公司生产的SIR-20探地雷达，根据区内管线埋设特点天线采用的400 MHz高效屏蔽天线。探地雷达对本区内DN100—DN500给水混凝土管、铸铁管及电信管块进行了试验[2]。经过对已知的给水铸铁管、混凝土管及电信水泥管块、塑料管块的多处多点试验，做共试验剖面13条。结果显示其混凝土管、电信水泥管块、给水铸铁管、塑料管块的管道上雷达异常较为明显，但是燃气PE材质管道在探测效果上表现为异常相对较弱，在介质较均匀的地段经数据处理，异常与管道的平面位置相对应，能够确定管道的平面位置和埋深。通过计算各点的已知埋深与电磁波走时，得出本区内的电磁波波速为0.09 ～0.13 m/ns之间，则工作中采用了其平均波速。

2.2 参数选择

2.2.1 波速

根据工作区各地段地下土层的不同，其波速也不同。在松散或富水的土层，其波速会相对低;在干硬或贫水的土层，其波速相对高。本工作区普查面积为80 km2，通过波速试验取其平均值投入工作。对其中一个区域取其试验点的平均值为0.110 m/ns，对于另一个区域取值0.117 m/ns投入工作。经过验证，管线实际埋深与探地雷达探测结果相吻合，满足精度要求，说明波速参数选择正确。

2.2.2 天线中心频率

探地雷达天线中心频率的选择需兼顾目标深度、目标最小尺寸以及天线尺寸是否符合场地需要。一般来说按公式（1）计算天线的中心频率：

式中：ε为介质的相对介电常数，X为空间分辨率（单位m）根据本区管道埋深特征及检测目的，选择400 MHz高频屏蔽天线。

2.2.3 时窗

时窗选择的依据主要是最大探測深度dmax（单位m）与地层波速V（单位m/ns）。时窗W（单位ns）可按公式（2）计算：

式中：V为介质中电磁波的传播速度（单位m/ns），dmax为主要探测深度（单位m），根据本区管线埋深一般小于2 m，此次采样时窗选为50～60 ns。

2.2.4 实地剖面

探地雷达探测时，尽量选在较为平坦的地段，这样可会避免探测信息失真。垂直于管线走向布设探地雷达剖面方向，连续采样时要匀速推进。

2.2.5 采样间距

采样间距根据工作性质、目标管径大小、材质等选则0.5 m和1 m采样间距。

2.3 探测方案

在工作中为了更好推断管线的平面位置，每条探地雷达探测剖面在特征点附近至少做3至4条探测剖面。并进行重复观测，以便能够提取和分析较为可靠的管线异常，在探测过程中还要结合已有资料对比分析，做出合理的解释。

2.4 结论及建议

因探地雷达在探测管线工作中表现效率不高的弊端，所以在遇到较大面积的探测工作不宜应用地质雷达做扫面工作。管道周围介质均匀、介质与管体的介电常数差别较大时管道异常较好，剖面中图像清晰明显。管道周围介质不均匀（如建筑垃圾、石块较多等），则介质与管体的介电常数差别较小时管道异常较差，剖面图像中目标管体不清晰，有时无法分辨。在本区探地雷达主要应用于天然气的PE管、给水混凝土管等管道探测方面，同时对一些难点、疑点用其他方法不易解决的地段投入探地雷达工作[3]。此次分析给水铸铁管、混凝土管及电信水泥管块、塑料管块应用探地雷达地质差异明显，效果较好，而燃气PE材质管道应用探地雷达异常较弱，但经过进一步处理，雷达异常与该管道位置基本吻合，能够推断管道埋深和位置。

3 城市道路地下管网探测的应用分析

3.1 工程概况

某市地铁某区间处于市区繁华地段。据市政图纸与现场调查，线路南侧人行道下埋设有雨污水管、弱电管线及通信管线，车站范围内地下管线较多，主要包括：给水管、雨水管、污水管、市政路灯、燃气管、热力管、通讯（中国铁通、广电、燃气管、电信、联通），分布于线路两侧。南侧有1根DN1200的雨水管，长度约122.326 m，该雨水管为混凝土管，埋深约3～4.65 m;1根污水管，长度约117.067 m，该管线为DN400的混凝土管管，埋深约3.56 m。北侧有一根DN1200的雨水混凝土管，长度约137.4 m，埋深约3.69 m;1根污水管，该管线第1段为DN400混凝土管，长度约67.183 m，埋深约5.60 m，第2段为DN400的PVC管，长度约69.499 m，埋深约3.70 m。区间中央绿化带沿线路方向布置的燃气管道为DN300中压管钢质燃气管线，东西走向，埋深1～1.2 m。市政路灯及管线位于北京西路两侧，据路边0.8 m。通讯管线分布在道路两侧的人行道板下。本站范围内有通讯管线及供水管线改迁，车站沿线路范围内的部分管线埋深较浅，距离明挖区间较近，影响施工，施工阶段须增强监控量测。

3.2 采集参数

因探地雷达探测天线中心频率各不相同，造成其测深能力的不同，频率低，探测深度大，分辨率低;频率高，探测深度浅，分辨率高。本次数据采集参数设置为：天线选择中心频率为100 MHz、250 MHz、500 MHz屏蔽型地面耦合天线;TIMEWINDOW分别为300 ns、100 ns、60 ns、SAMPLES为1024;DISTANCEINTERVAL设置为0.02 m。

3.3 资料解译

探地雷达探测资料的评释有两部分内容：一为数据处理，二为图像解释。图形分析包括降低随机噪音、压制干扰，改进背景噪音;通过增益的变化来补偿或抑制原始波形，在通过去除低频或高频信号，来突出目标体的特征，最后进行背景噪音的去除和余振的影响。

3.4 探测成果

以雷达波的探测远离来分析，倘若两种介质的介电常数差异很大时，雷达波会经历不同的反射和衍射现象。实时的探测发现，当雷达穿透地面并直接在目标管上方探测时，介质中电磁波的方向发生了显著变化。对雷达数据进行处理后，可以清楚地看到目标线的雷达图。

3.5 结论

使用探地雷达物探方法對城市道路地下管线探测的应用，针对某市地铁某线路建设项目，使用探地雷达物探方法对某区间地下管线情况探测，结论充分表达出该区间地下管线种类多样，埋置深度不一，地质条件复杂，根据探测分析图指出的位置，可以较为准确的找到地下管线，为城市道路规范安全、有效施工提供保障[4]。城市道路地下管线探测应使用同一中心频率雷达天线，然后更换不同采集参数的方式（如触发方式、道间隔、叠加次数等）进行对比测试;或者采用不同中心频率的雷达天线，并重复探测来提高管线探测的准确性。城市道路地下管线探测的结果分析应采取多种分析方法，通过调整数据分析时的参数值来选取最优的探测成果图。城市道路地下管线探测，要充分利用设计图纸、现场勘查、雷达定位等多种方式，可以极大的提高管线探测的准确性。

4 地下管线渗漏环境下探地雷达信号特征分析

本模型试验的目的是采集地下金属管和PVC的渗漏前后的探地雷达剖面。

4.1 试验方案

试验方案如图1所示。首先在颗粒较均匀和杂质较少的砂土（某海滩）中，先后埋入一根长1.5 m，直径同为0.16 m的PVC水管和金属管。覆土层厚度0.35 m，并在水管顶部中点处留有直径7 mm的渗漏孔。管道的一端与控制水箱连接，另一端通过弯管连通大气。水箱底部与埋置后的管道高差为2 m，渗漏时水压约为0.02 MPa。渗漏量为24升，渗漏过程耗时30 min。试验区域大小为1.5 m×2 m×1 m，采用中心频率为900 MHz的天线，在渗漏点位置处沿垂直于管线方向进行数据采集，测线长度约2.2 m，道间距为1 cm，每道信号的时窗为40 ns，采样点为512。渗漏试验开始前用时域反射计测得试验场地渗漏孔附近砂子相对介电常数为3.8，电导率为6.2 mS/m，渗漏结束后开挖测得渗漏点附近砂子相对介电常数为16.4，电导率为38.4 mS/m。由于渗漏结束后，渗漏点附近处的水会受重力影响继续下渗，开挖后渗漏点附近出砂子测得的介电参数与雷达采集数据时的存在一定差异。

4.2 试验结果分析

对采集到的雷达数据先后进行零时校正，去直流，减背景，带通滤波和包络增益处理。首先，将探地雷达剖面的零时刻调整到砂地表面。然后，取每道数据中15～40 ns的振幅平均值作为信号的直流分量，进行去直流处理。再通过减去整个雷达剖面的振幅平均值来去除背景杂波。接着进行带通滤波，上、下截止频率分别为1 200 MHz和500 MHz。

最后对剖面的每一道数据做希尔伯特变换取包络，进行包络叠加获得剖面整体的包络线，归一化后取倒数作为增益曲线进行增益。含水PVC管和金属管渗漏前后的雷达图像预处理结果。由于电磁波能穿透PVC管道，在PVC管渗漏前的雷达图像中能看到管道顶部和底部的双曲线反射，金属管渗漏前的雷达图像中只能看到管道顶部反射。两种管道渗漏后的雷达图像中都可以观察到震荡信号且能量明显增强，震荡信号可以作为识别管道渗漏的重要图像特征。

5 结语

针对目前地下管线渗漏的探地雷达震荡信号形成机理尚不清晰的问题，利用模型试验采集砂土中PVC管和金属管渗漏前后的雷达信号，研究主要结论如下：

地下水管在渗漏后会在水管周围形成与渗漏区外土体介电参数相差较大的湿润区，湿润区存在一定分层状态，越接近渗漏点的土壤含水饱和度越高。电磁波在管线渗漏区传播过程中存在更多界面反射和界面间的多次波，管道的反射也会在湿润区产生多次波，使得雷达图像出现复杂的震荡信号。

PVC管渗漏后，渗漏区反射，管道反射，多次波与在管道底部出射后绕PVC管传播的爬行波相互叠合，能量增强，形成雷达图像中管道顶部和管道底部反射下方复杂的震荡信号。金属管渗漏后，能明显看到管道与渗漏区间的多次反射。

在实际地下管线探地雷达探测中，对于PVC管道，若雷达图像中出现多次规则的震荡的信号，则该管线为含水管道。若多次震荡信号杂乱且部分区域能量增强则该管道周围可能存在湿润区和渗漏点。对于金属管道，若雷达图像中存在多次波，则该管道周围可能存在湿润区和渗漏点。在以后的工作中可以根据地下水管渗漏前后雷达图像在渗漏区域的信号差异，由水管渗漏产生的典型震荡信号特征定位渗漏点。并通过分析爬行波和管道反射间的延时，有望估计管道直径和管道周围土体的介电常数。

参考文献

[1] 田朋飞，王秋领.城市管线探测技术及案例分析[J].中国市政工程，2019（4）：26-29.

[2] 刘子嘉，薛晓轩.城市地下管网普查物探方法分析与验证[J].测绘与空间地理信息，2015（12）：82-83+86.

[3] 杜朋卫.浅析城市地下管线疑难探测的方法及应用[J].城市勘测，2021（1）：176-181.

[4] 赵松坡.市政工程施工中地下管线施工技术应用分析[J].IT经理世界，2021（5）：43-45.