楊 劍,李 華,焦彥杰

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081)

探地雷達在城市地下管線探測中的應(yīng)用

楊 劍,李 華,焦彥杰

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081)

應(yīng)用RAMAC系列探地雷達進行了城市天橋地下管線探測的應(yīng)用研究?；趯Τ鞘械叵鹿芫€周圍介質(zhì)環(huán)境的分析,設(shè)計了探地雷達的工作參數(shù),對即將開挖的樁位進行地下管線探測,得出了很好的結(jié)論,為后續(xù)工程鉆孔定位具有指導意義。

探地雷達;地下管線;探測

0 前言

探地雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR),是采用無線電波檢測地下介質(zhì)分布,以及對不可見目標體或地下界面進行掃描,以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為:高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射,經(jīng)目標體反射或透射,被接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時,其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化,由此通過對時域波形的采集、處理和分析,可確定地下界面或目標體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

探地雷達具有分辨率高、無損、操作簡便、抗干擾能力強等特點,從數(shù)據(jù)采集到圖像處理實現(xiàn)了一體化?？蓪崟r輸出現(xiàn)場剖面記錄圖等優(yōu)勢,適用于各種環(huán)境條件,在各種地球物理方法中脫穎而出,很快成為巖土工程勘探和監(jiān)測的主要手段,并廣泛應(yīng)用于公路、鐵路質(zhì)量檢測,城市地下管線探測,隧道檢測,堤壩、庫岸等水利水電工程探測,考古探測,環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

只要地下管線目標與周圍介質(zhì)之間存在足夠的物性差異,就能被探地雷達發(fā)現(xiàn)。探地雷達的管線探測能力,彌補了管線探測儀的探測缺陷,因此在城市地下管線的探測中得到普遍應(yīng)用。作者在本文采用瑞典瑪拉公司(MALAGEOSC IENCE)生產(chǎn)的RAMAC系列探地雷達(見圖1),對成都市的某人行天橋地下管線進行了探測,查明每座橋各樁位點處地下1m～6m深度范圍內(nèi)是否存在各種城市地下管線,為人行天橋的樁位開挖施工服務(wù),以確定地下管線的具體位置和走向。

圖1 RAMAC雷達主機和天線Fig.1 Host radar and antenna of RAMAC GPR

1 探測方法及原理

探地雷達是基于不同介質(zhì)的電性差異,利用高頻電磁波,探測隱蔽介質(zhì)分布和目標體的一種高新地球物理方法。當發(fā)射天線T以寬頻帶、短脈沖方式向地下發(fā)射電磁波時,遇到具有不同介電特性的介質(zhì)時(如管線、空洞、分界面),就會有部份電磁波能量反射(回波),接收天線接收到反射回波并記錄反射時間,原理如圖2所示。

圖2 探地雷達工作原理Fig.2 GPR working p rincip le

對于反射波,我們可以用下面的反射波旅行時間計算公式進行計算。

由上所述,雷達反射波的旅行時間,會隨被測介質(zhì)的厚度而變化。于是,把發(fā)射與接收天線在被測介質(zhì)表面同步移動,便可將反射界面的反射波,依次排列成二維雷達圖像,根據(jù)雷達圖像,我們就可以判讀出探測目標體的狀況。

2 雷達探測管線可行性試驗

為了對比地質(zhì)雷達在探測管線、空洞、鋼筋等不同目標體的探測效果,武漢大學的專家們在混凝土樣塊中做了對比試驗(見圖3)。異常從左到右依次為:裂縫、空洞、空洞、鋼筋、鋼筋、金屬管、塑料管。從所測的雷達成果圖來看,鋼筋和金屬管線的異常反射比塑料管的要強很多。如果不存在對比的情況下,要區(qū)別是金屬管還是塑料管或是圓形空洞還是有一定的難度。但是,能探測出管線或是其它異常體,已經(jīng)能滿足本次的探測工作要求。

3 探地雷達參數(shù)的確定

本次探測工作采用瑞典MALA公司的地質(zhì)雷達設(shè)備,儀器的相關(guān)技術(shù)指標和探測深度如下:3.1 技術(shù)指標

(1)脈沖重復頻率:100、200、330、…kHz(最高可達1 000 kHz)。

(2)數(shù)據(jù)位數(shù):16。

(3)樣點數(shù)/道:128-2048任選(可根據(jù)用戶需要增加)。

(4)迭加次數(shù):1-32768及自動迭加。

(5)采樣頻率:0.2->100 GHz。

圖3 探地雷達試驗探測結(jié)果Fig.3 The test resu ltsof the GPR detection

(6)分辨率:5 ps。

(7)數(shù)據(jù)通訊:以太網(wǎng)。

(8)通訊速度:100M bit/s。

(9)數(shù)據(jù)采集速度:可達800道/s(當脈沖重復頻率為100 kHz時)。

(10)采樣模式:距離/時間/手動。

(11)供電:12 V鋰電池或外接12 V電池,主機0.9 A。

(12)工作時間:連續(xù)工作5 h以上。

(13)天線兼容性:可兼容MALA公司的所有天線。

(14)工作溫度:-20℃～+50℃。

(15)尺寸(cm):32.5×22.2×4.2(16)重量:1.9 kg

3.2 不同天線的探測深度和分辨率

表1為不同天線的探測深度和分辯率。

作者在本文例舉了人行天橋的城市地下管線探測工作,其目的在于:查明在天橋各樁位點處地下1m～6m深度范圍內(nèi),是否存在各種城市地下管線,為人行天橋的樁位開挖施工服務(wù)。

表1 不同天線頻率的探測深度和分辨率Tab.1 The dep th and reso lution of d ifferen t an tenna frequency

由于每個樁位的開挖直徑大小約為1.5m左右,為了更好地控制地下的探測范圍,在條件允許的情況下,在每個樁位處都布置二條長3m以上的垂直雷達測線。城市地下管線的埋深范圍,一般都在1m～6m以內(nèi),依據(jù)表1,選擇250MHz的天線就可滿足探測要求。

圖4 天橋大致樁位編號Fig.4 Rough ly num bersofB ridge p ile location

4 地下管線探測結(jié)果

圖5 1號、2號、3號樁位的一條測線和2號樁的另一條垂直測線Fig.5 A m easuring line of 1,2,3 p iles and ano ther line of 2 p iles

從圖5的雷達掃描圖上看,1號、3號樁位與樁身擦邊處0.5m埋深的地方,存在明顯的拱形異常,推斷為管線。另外,在三號樁右側(cè)2.5m處,埋深1.2m的地方也存在一明顯拱形異常,推斷為給水管。

2號樁的一條雷達測線上有明顯的異常發(fā)射面,另一條垂直的雷達測線上存在明顯的拱形異常,推斷為金屬管線。

從圖6(見下頁)的雷達掃描圖上看:4號樁位無明顯的異常反應(yīng);5號樁與樁身擦邊處有一處較明顯異常,推斷是路邊的干擾引起;6號樁與樁身擦邊處有一處拱形異常,推斷為管線。

圖6 6號、5號、4號樁位的一條測線Fig.6 A m easuring line of 6,5,4 p ile

圖7 降水井雷達掃描圖Fig.7 The radar scan of dewateringwell

降水井:作者對圖4降水井的位置布置了三條測線,其探測結(jié)果如圖7所示。三條測線放在一個文件中,從圖7中可以看出,前二條測線在1.0 m～1.3m范圍內(nèi)都存在明顯反射層,但不是管線。第三條測線從雷達掃描圖上看,存在一個明顯的拱形異常,推斷為管線,所以建議將打井位置選在圖4降水井設(shè)想位置的上方。

5 結(jié)語

應(yīng)用RAMAC系列探地雷達進行地下管線探測的實踐表明,該系列雷達能夠成功用于城市地下管線的探測,具有探測準確、適用于各種類型管線探測的優(yōu)點,對后期工程鉆孔定位有指導意義。

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P 631.3+25

A

1001—1749(2010)06—0669—05

中國地質(zhì)調(diào)查局水[2101(礦評01-07-31)]

2010-05-17 改回日期:2010-09-27

楊劍(1983-),男,碩士,成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,主要從事工程、礦產(chǎn)地球物理勘探。