论地质雷达在城市非金属地下管线探测中的应用

姜龙

（合肥市勘察院有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在城市化发展迅速的前提下，城市地下空间的利用率也不断提升，地下管线类型众多且在用途、材料性质以及尺寸上均存在非常明显的差异性，因此针对不同类型地下管线需应用的探测技术也会存在一定的差异性。传统意义上的地下管线探测方法所探测出来的数据无法正确的体现出地下管线的破损状况，地下管线的铺设质量也难以得到准确的反应，由此可能导致一系列质量安全隐患的产生，对地下管线探测质量产生非常不良的影响。所谓的地质雷达是采用一种使用高频宽度的电磁波的探测技术，专门为地下浅层探测所设计的一种探测技术，具有分辨率高、准确可靠、安全无损、快捷连续等一系列优势，在地下管线探测过程当中具有非常重要的价值，本文就是在对使用地质雷达技术在探测在地下管线中所发现的问题进行分析与探讨。地下管线在城市中是最基础、也最重要的设施，在城市发展中占据重要位置，对城市的运行起着决定性作用，关系着城市的发展格局。地下管线是“城市的生命线”，主要职责不仅是保障内部物质的运输和信息传递，并且还对内部能量的输送负责。地下管线工作量大且复杂，同时对测量技术也有着高标准、高条件。由于城市化的不断高度发展，其规模也在不断扩大，致使地下管线需要不断增多，才能跟上城市发展，保证城市化水平提高。因此加强探测技术迫不及待[1]。

管线在城市地底下的路线线非常多样复杂，是城市发展建设的重要环节。由于社会经济的不断进步和城市的不断发展建设，勘查地下管线的任务也面对着新的问题新的难点，这对勘测人员来说是个艰巨的挑战。埋在城市地下的管线的类别繁多多，主要是给排水管道、热力、电力、通信、国防电缆等。要想城市在发展和建设的时候保障城市稳定顺利发展以及人们的生产顺利，必须要有完整、安全的地下管线网图。但是因为城市步伐不停的进步，以前的地下线路方式已经无法满足现代城市的发展需要，所以，需要地下管道模式更加的多样化[1]。为了改变以前的地下管线老化的问题，保障城市的发展需要，需要对现有的城市地下管线进行合理的，科学的拆除，改善和修改，从而满足现在的城市需求。

1 地质雷达探测方法与关键技术

1.1 管道埋深的确定

管道埋深的计算公式为：

式中：H——管道埋深；v——电磁波在土层（或含岩石）中传播速度；t——电磁波由地表传至管道与土层（或含岩石）分界面的双程走时。在测验工作中，只需知道v，将其输入计算机，便可经过雷达测验专用软件将记载的时刻剖面主动转变为深度剖面。厚度界面可经过人机对话方法生成。依据管道与土层界面反射波的振幅及相位特征，便能够确定出管道的顶界面，并大略估算出管道大小规模、埋深，再依据反射波相位特征确定管道底界面[2]。

1.2 测线布置原则

正规状态下，地下管线的勘探应以垂直于管线的办法进行。实际勘探中，许多地下管线的位置和深度这些信息都是不知道的，那么怎么合理地规划区域内的勘探线路与计划就显得尤为重要，这关系到地下管线勘探的全面性及勘探的效率。

除此之外还需确定测线间距。测线距离的确定需归纳勘探区域的面积与勘探的具体程度，假如区域中有部分区域是需要要点勘探的应当添加测线的数量，以减小测点的距离。测线距离的规划与GPR 的天线功能也存在必定的联系。雷达天线通常可分为：无方向性天线和有方向性天线。前者同时向一样的方向辐射能量，而有方向性天线以波瓣或波束的方式向外辐射能量，其主要辐射能量的波瓣称之为主瓣。GPR 天线的主瓣宽度角一般可达90°[3]。由于测量距离的不断扩大，测量距离之间的盲区也将不断地增加，探测盲区的面积也随之增加。测线间距为L，天线主瓣宽度角为θ，探测盲区中最大深度为H，则有如下关系：由上式可知，当地下管线埋深较浅时，测线间距也应减小。地下管线不同于其他探测目标，它截面大小固定、体型上呈细长状，这些特点更有利于探测，因此在测线间距选取方面也可适当放宽，以减少探测数据，从而大大提高作业效率。

2 地质雷达探测原理

地质雷达是一种用于评估并分析地下介质分布情况的高频电磁技术。地下雷达探测以地下介质在介电性方面的差异为依据，通过天线发射或接收高频电磁波信号的方式，利用工作软件处理所接收信号并成像，从而帮助工作人员得到相应探测结果。应用地质雷达技术进行地下管线探测的基本原理如图1 所示[4]。

图1 地质雷达的技术进行地下管线探测的基本原理

在应用地质雷达技术进行地下管线探测作业的过程中，最基础的操作过程是：由放置于地面的天线面向地下等待测量的地点发出高频率电磁脉冲信号，在高频电磁脉冲信号于地下空间内进行传播的过程当中，若遭遇相对介电常数不同（及有不同电性表现）的界面时，高频电磁脉冲信号中一部分透射界面并继续向地下空间其他区域进行传播，而另一部分信号则在该位置直接反射会地面，由地面所安装接收天线进行接收并记录至主机中。在这一操作过程当中，若地下介质波速已知或地下探测空间中介质的相对介质常数已知，则可以根据所测定反射波自发射天线发出至接收天线接受耗时（以下定义为t）的具体结果，计算所地质雷达技术所探测物体的埋深以及具体位置。在这一过程当中，假定T 为发射天线，R 为地面接收天线，H 为地下管线目标体顶部埋设深度，r 为电磁波双程走时，则可建立如下所示关系，如式（2）所示。

式（2）中，定义屏蔽式发射体现为t，接收天线为r，两者距离为x，若两者距离高度相近，即在x 无线趋近于0 的情况下，可将式（2）转换为式（3）：

根据式（3），若电磁波在介质中的传播速度v 处于已知状态，并且电磁发射博的走时的t 可以加以准确计算，则就能够通过以上方式得到待测定目标物体的深度取值[5]。

3 地质雷达技术的应用价值

3.1 分辨率高

在探测埋在地下的管线的实际过程中，要想有高分辨率而且地下管线分布情况的图像有高清晰度，那么采用地质雷达探测技术则能够满足要求，能够马上了解地下管线的实际情况，在准确的探测图像的辅助下展开科学有效的设计施工作业，强化地下管线设计质量，并更好的为地下管线正式施工提供服务，保障地下管线铺设的安全性与可靠性[6]。同时，依托于地质雷达技术所提供的高分辨率图像，当测试整个城市底线管线分布的时候，具有重要的积极作用，支持对城市建设水平的综合评定与分析[7]。

3.2 准确可靠

地质雷达探测技术的准确性高，在应用地下管线探测的过程中呈现出了连续性的特点，确保所探测地下管线分布数据状态的完整性与动态性。地质雷达探测技术是对介质以及几何形态的分析来测量地下管线，以改变电磁场强度以及波形特征，使功能、形态以及性质存在差异的地下管线能够通过地质雷达探测图像所呈现出来，给工作人员在对选取地下管线时最优的方案提供理论依据，从而保证管线高质量铺设，并为后续针对地下管线的高精度探测提供指导。

3.3 快捷无损

地质雷达探测技术在浅层分布探测目标中有良好的适用性，检测过程安全且缺损[8]。整个检测过程中，通过对高频宽谱无损电磁波的发射与接收，来辨别被探测区域中地下介质的分布情况，也可在现代化互联网辅助技术的支持下，转移至地面进行探测，发挥地质雷达技术高速反射的功能优势，方便相关工作人员更为及时与准确的掌握地下管线分布情况，及时对安全隐患进行识别与防控，以促进地下管线探测质量与探测效率的进一步提升与优化[9]。

4 地质雷达技术在地下管线探测中的应用实例

在地下管线探测过程中，工作人员首先需要对探测区域内的地下管网资料进行收集与整理，展开实际调查，安排专人进入地下管线探测区域现场，找到地下井口，然后打开井盖多拍几张照片、测量一下深度、做好记录等。然后，如果现场发现电力管线或者金属管，应当在爱地下管线仪器辅助下进行电磁感应探测。而针对非金属性管道，或埋藏深度较深、管径较大的金属材质管线，则以应当优先选用通过地质雷达技术进行探测。在当前工程实践领域中，针对地质雷达探测技术的应用多采用等间隔测点剖面测试的方法，当清楚了探测的地线管线的走向和位置之后，选择合适的位置进行测线，标注出详细的测量位置，并与目标管线走向保持垂直状态确定探测剖面方向。针对存在转折或分支的地下管线，在地质雷达探测过程中需要沿管线不同方向以及分支方向合理布置测线，在明确管线具体走向以及位置后经交汇法处理，实现对现场探测特征点的合理定位[10]。

例如，受到建设场地施工因素影响，导致地下管线系统中部分污水沉井井盖被掩埋，为确保施工质量，及时进行疏通，要求工程人员快速且准确定位地下污水沉井井室位置。为达到这一目标，应用地质雷达探测技术对施工现场进行探查。使用100.0MHz 的天线时，窗取样的长度取值为200.0ns，叠加64 侧，测点距为0.02m，所得到地质雷达探测结果。在指数增益模式处理后，所生成地质雷达探测结果中剖面8.0m 位置可见一组明显异常信号，信号表现为单边双曲线性反射波异常信号。对该信号进行时深转换处理后，异常反射波信号首次出现在1.3m 深度区域，结合现场调查结果将其定位为地下污水沉井井室位置[11]。

5 结语

地质雷达是一种采用了高频率的高宽度的电磁波地下管线探测技术，可以作为地下浅层深度的测量手段，具有分辨率高、准确可靠、安全无损、快捷连续等一系列优势，在地下管线探测领域中具有非常确切的应用价值。本文是在分析地质雷达探测过程中的原理的基础之上，全面论述地址雷达在测量地下管线过程中的优势，认为在地下管线探测领域中应用地质雷达技术表现出了包括分辨率高、准确可靠以及快捷无损3个方面的优势，最后讲述在地址雷达的实际应用的过程，希望可以引起业内人士的高度关注。