楊 珍，程 琛，張俊杰，姜 升，魏明強(qiáng)

（西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730100）

城市地下管線是包括給排水、燃?xì)?、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)管道及其附屬設(shè)施,在我國各城市中分布縱橫交錯,不僅為城市的正常運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障,還可以為城市傳遞各類能源物質(zhì),被稱為整座城市的"生命線"。在城市建設(shè)中，地下管線是不可或缺的,因此其中的地下管線分布情況就顯得特別重要。

城市地下管線分布狀況不明確,建設(shè)施工時經(jīng)常由于地下管線走向和深度不明導(dǎo)致施工方進(jìn)行施工時挖斷供水、供氣、熱力、電力等各種管線的情況,這給城市的運(yùn)行及發(fā)展帶來諸多不便。

地下管網(wǎng)屬于地下隱蔽工程,其特點是規(guī)模大、分布范圍廣、種類多、空間分布復(fù)雜、容易隨著時間的增長發(fā)生較大的變化；而且常規(guī)的檢測手段無法檢測出地下管網(wǎng)詳細(xì)分布情況。當(dāng)前國內(nèi)主要采用探地雷達(dá)法、電磁法以及機(jī)械式勘測法對地下管線進(jìn)行檢測,考慮到適用范圍、勘測效率以及外界干擾等因素。本項目采用探地雷達(dá)法。探地雷達(dá)的無損檢測技術(shù)的特點不僅包括高效性、高精度,而且成像十分迅速,能得到明顯的波形圖,直觀的反應(yīng)地下管線結(jié)構(gòu)。

1 檢測場地概況

1.1 檢測概述

檢測場地位于蘭州市金昌路某小區(qū)內(nèi)北側(cè)、檢測場地地形較為平整，地面高程在1515.58～1516.03米之間。從地貌單元上看，場地位于蘭州市黃河南岸Ⅱ級地之上。場地地下水理深2.1～2.3 米，相應(yīng)水位高程1613.35～1518.68 米，卵石層為其主要含水層，屬階地型潛水，地下水流向北東。

根據(jù)項目建設(shè)要求，對擬建場地采用探地雷達(dá)儀進(jìn)行了地下管網(wǎng)檢測。

1.2 檢測內(nèi)容

沿場地橫向和縱向，間隔1m 的距離布置測線，對地下空洞進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定管道位置。

1.3 檢測儀器設(shè)備

本次工作使用儀器設(shè)備如下：雷達(dá)設(shè)備選擇：采用瑞典產(chǎn)RAMAC/GPR 地質(zhì)雷達(dá)，選用500MHz 屏蔽天線。

采集軟件選擇：RAMAC GroundVision V1.4.5 版。

RAMAC/GPR 地質(zhì)雷達(dá)是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它是利用電磁波信號在物體內(nèi)部傳播時電磁波的運(yùn)動特點進(jìn)行探測的。雷達(dá)組成及探測方法如下：

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（如下圖所示）：

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖

2 雷達(dá)檢測基本原理

2.1 檢測原理

探地雷達(dá) (Ground Penetrating Radar,簡稱GPR) 的技術(shù)原理是高頻信號脈沖通過電磁波的反射技術(shù)進(jìn)行工作。探地雷達(dá)可分為兩部分,分別是發(fā)射天線和接收裝置。發(fā)射天線向介質(zhì)中發(fā)射高頻率(106～109Hz 或更高)的電磁波,電磁波的一部分在介質(zhì)中折射,另一部分在介質(zhì)中反射。接收控制裝置進(jìn)行接收反射的電磁波。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時,遇到有電差的界面設(shè)計就會產(chǎn)生反射?？梢愿鶕?jù)所接收到的電磁波的波形,振幅強(qiáng)度和時間，可以推斷出目標(biāo)體的具體位置和結(jié)構(gòu)形狀。如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖

根據(jù)電磁波理論,由天線發(fā)射出電磁波后，其在介質(zhì)中傳播過程中產(chǎn)生了電性差異交界面,這時由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而導(dǎo)致產(chǎn)生的折射和反射角度不同,由此便可得到所測得的雷達(dá)波形圖。

利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理、平均值、過濾和映射。最終得到各測線的成果圖,從而對擬建場地地下管網(wǎng)分布走向、深度進(jìn)行分析判斷,進(jìn)而得出地下管網(wǎng)分布圖。

2.2 資料分析處理流程

GPR 數(shù)據(jù)包括預(yù)先處理（標(biāo)記和校正站、添加標(biāo)題、標(biāo)志等），以及處理和分析。處理流程圖如圖3所示，其被設(shè)計來抑制干擾和隨機(jī)規(guī)則，最高可能的解決方案顯示的反射波，在地面穿透雷達(dá)來幫助異常信息有用突起（包括電磁波的傳播速度，幅度和波形等）解釋橫截面圖像。

探地雷達(dá)接收的是來自地下的反射波，它的正確性取決于檢測技術(shù)參數(shù)可以選擇一個合理、處理方法得當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)信息、模擬研究實驗類比和讀圖經(jīng)驗等因素。

圖3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

3 檢測情況

由于擬建場地原有管網(wǎng)不清晰，故針對擬建場地采用地質(zhì)雷達(dá)儀進(jìn)行地下管網(wǎng)檢測，沿場地橫向和縱向，間隔1m 的距離布置測線，對地下空洞進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定管道位置。測線布置情況如圖4 所示。

圖4 測線布置圖

4 雷達(dá)圖像分析

4.1 圖像分析原理

記錄在反射波，波形灰度顯示或地面穿透雷達(dá)的垂直剖視圖的一個脈沖波形形式的GPR 雷達(dá)圖像。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜的濾波器,介質(zhì)對波的吸收程度不同,各介質(zhì)均勻性也有一定差異,使得脈沖到達(dá)接收天線時,與原始發(fā)射波形有較大的差異,這種差異反映到雷達(dá)圖像上就會產(chǎn)生明顯的異常波形,從而進(jìn)行定性分析判斷。另外,外界噪聲、振動、外加強(qiáng)電磁場的干擾,也會影響實測數(shù)據(jù)得到差異較大的雷達(dá)圖像。因此,對接收信號進(jìn)行技術(shù)處理,以改善信噪比的方法尤為重要。

探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容是識別并判斷目標(biāo)體的特征和雷達(dá)圖像干擾波。使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測時,外界噪聲、振動、外加強(qiáng)電磁場對其結(jié)果影響較大,對于不同材料的相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等不同,各自形成的反射波或繞射波能量強(qiáng)度不一,所得反射信號不同,故測得圖像千差萬別。工程實際驗證,地質(zhì)雷達(dá)檢測同一類別會呈現(xiàn)出相同的特征；據(jù)此,可以判斷檢測圖像并分析結(jié)果。

4.2 典型雷達(dá)圖像

通過查閱資料，得到一系列地質(zhì)雷達(dá)典型波形特征：

當(dāng)混凝土達(dá)到密實時，其中的信號幅值較弱，甚至界面反射信號消失；當(dāng)混凝土不密實時，界面有與繞射弧相軸相同的強(qiáng)反射信號，反射信號不連續(xù)且分散。

當(dāng)碎石樁中部出現(xiàn)斷樁情況時，樁身雷達(dá)信號清晰，從頂部開始樁身反射信號逐漸變窄，中部斷樁處反射信號弱。

在腔體情況下，界面反射信號較為強(qiáng)烈，振動相位明顯，下部仍有強(qiáng)反射界面信號，兩組信號呈現(xiàn)較大時差。

探測到的鋼筋會在進(jìn)行圖像中呈現(xiàn)出一個連續(xù)的小雙曲線強(qiáng)反射控制信號，在雷達(dá)圖像上反映出其特有的月牙形態(tài)。

5 檢測結(jié)果

5.1 檢測圖像

圖5 10 號測線

圖6 11 號測線

通過比較10，11 號測線，可得10 號測線整體波動較大，11 號測線波動較小，可得出10 號測線與11號測線之間有豎直方向的管道，并且靠近11 號測線。如圖5，圖6 所示。

圖7 13 號測線

圖8 14 號測線

通過比較13、14 號測線，可得兩條測線整體波動均較大，可得出13 號測線與14 號測線之間有豎直方向的管道。如圖7，圖8 所示。

比較10、11、13、14 號測線發(fā)現(xiàn)t=60s 時，四條測線均出現(xiàn)較小波動，可判斷出t=60s 時此處有水平走向的管道。

圖9 17 號測線

圖10 18 號測線

圖11 19 號測線

圖12 20 號測線

綜合比較17、18、19、20 號測線，四條測線圖像波動均較大，可得出水平方向分布有三條管道。并且在t=35s 時四條測線均出現(xiàn)較大波動，可得出有一條豎直走向的管道交叉于三條水平走向的管道。當(dāng)t=15s，t=28s 時，19、20 號測線處均波動較大，可判斷有豎直方向的管道存在。如圖9～圖12 所示。

采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測時，空洞與土壤存在明顯介電差異以及電磁導(dǎo)率差異，差異越大，空洞的反射特征越明顯，這是進(jìn)行探地雷達(dá)地下管網(wǎng)檢測的基礎(chǔ)。分析波形異常界面可對空洞大小進(jìn)行定性分析判定，同一側(cè)線若波形圖全長呈現(xiàn)異常波動，說明該測線處于管線之上；若測線只有部分存在波形異常波動，說明該測線波形異常部位有管線經(jīng)過。同時，可根據(jù)波形異常處波動大小定性判斷管徑。

6 結(jié)論

根據(jù)上述雷達(dá)掃描結(jié)果,并對結(jié)果進(jìn)行處理分析,其處理流程如圖3 所示,由于地下管網(wǎng)與地層巖體、土體存在一定的電性差異,介質(zhì)均勻性不同,鑒于兩者的電磁特性不同，導(dǎo)致產(chǎn)生不同角度的折射和反射,雷達(dá)波形圖上產(chǎn)生的異常波形,通過對此種異常波形的定性分析和判斷得出地下管網(wǎng)的分布情況,判斷出其具體的走向以及深度范圍等情況。

圖13 是由分析結(jié)果繪制的擬建場地地下管網(wǎng)分布情況圖,其中有兩類管網(wǎng),第一種管網(wǎng)埋深約1.0m 斷面約1.0m2,第二種管網(wǎng)埋深約0.5m 斷面約0.1m2。

圖13 地下管網(wǎng)結(jié)果簡圖