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（南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210049）

各種地下管線是工程施工建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它們負(fù)責(zé)信息傳遞，能量傳遞等，是當(dāng)代社會生存與發(fā)展的地下空間設(shè)施基礎(chǔ)。但是，由于各種原因，我國各類地下管線專業(yè)資料不全，資料準(zhǔn)確性差，或與現(xiàn)狀不符，導(dǎo)致在施工中對地下管線造成損壞，進(jìn)而導(dǎo)致氣、水、電、通信中斷，燃?xì)獗ǖ葒?yán)重事故。

探地雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于地質(zhì)工程建設(shè)的時(shí)間相對較短，始于20世紀(jì)80年代后期[1]。目前，探地雷達(dá)這一技術(shù)方法在國內(nèi)主要被用于城市地下空間下設(shè)管線的檢測、隧道襯砌檢測、堤壩質(zhì)量安全檢測等[2]。利用探地雷達(dá)針對于地質(zhì)施工工程進(jìn)行了連續(xù)多年的監(jiān)測，成功檢測到堤腳出現(xiàn)的一系列掏空現(xiàn)象[3]。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合南京市棲霞區(qū)鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院附近地面拱起異?，F(xiàn)象，利用探地雷達(dá)在地質(zhì)工程區(qū)域現(xiàn)場采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)波形處理并成像，成功檢測并達(dá)到了預(yù)期的探測效果，此次雷達(dá)探測成果對今后的地下空間管線探查工作具有一定的借鑒意義。

1 地下管線的種類和探測特點(diǎn)

1.1 地下管線類型

我國的地質(zhì)工程地下管線按功能大致可分為地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展、礦脈走向、排水、給水類，按物理性質(zhì)可分為兩類：一類是由鋼、鐵材料構(gòu)成的金屬管道；另一類由PVC，PE，混凝土構(gòu)成的非金屬管道。

1.2 探測地下管線特征

第一，地下管線一般都處于地質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境中，對其進(jìn)行探測是一項(xiàng)隱蔽工程。很多管道都在工程區(qū)域的下面。很多因素都會對探測工作造成嚴(yán)重干擾，傳統(tǒng)的地球物理方法甚至無法應(yīng)用。第二，地下管道的種類很多，其種類、材料、分布都不盡相同。但是，地下管線的物理類型往往變化很快，給管線識別帶來困難。三是地下管線探測儀器功能強(qiáng)大，能連續(xù)準(zhǔn)確地對管線進(jìn)行定位、測量，探測深度3m～5m。另外，該檢測設(shè)備能承受干擾，從而提高了分辨精度。

2 探地雷達(dá)工作原理及探測方法介紹

探地雷達(dá)法(Ground Penetrating Radar Method)是利用探地雷達(dá)發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，一種地球物理探測方法，其中，接收天線從目標(biāo)身體接收反射的電磁波，并確定目標(biāo)身體的空間位置和分布。實(shí)際上，它利用電磁波從目標(biāo)物體和環(huán)境反射的特性來檢測目標(biāo)物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)，缺陷或其他不規(guī)則性。

地基雷達(dá)是近年來出現(xiàn)的一種用于混凝土結(jié)構(gòu)地下檢測和無損檢測的新技術(shù)。它是一種無損測試儀器，使用寬帶和高頻電磁波來定位和分布中間結(jié)構(gòu)。目前，它用于國內(nèi)外測量。用于復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的最先進(jìn)，是最便捷的工具之一，具有強(qiáng)大的天線屏蔽和抗干擾能力，寬廣的檢測范圍，高分辨率，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和信號增強(qiáng)，連續(xù)透視掃描，實(shí)時(shí)二維黑白在適當(dāng)位置顯示或彩色圖像。探地雷達(dá)工作示意圖見圖1。

地質(zhì)雷達(dá)通過對雷達(dá)天線的全面掃描來獲取目標(biāo)隱身的垂直二維橫截面視圖。具體工作原理如下：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)使用天線發(fā)射寬帶和高頻輻射時(shí)。在地下的電磁波中，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播。當(dāng)遇到介電常數(shù)差異很大的介質(zhì)時(shí)，會發(fā)生反射，透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)之差越大，反射電磁波的能量越大。地下穿透雷達(dá)主要使用時(shí)域中的寬帶高頻電磁脈沖波的反射來檢測目標(biāo)的身體。如下公式：

雷達(dá)根據(jù)測得的雷達(dá)波走時(shí)，自動求出反射物的深度z和范圍。

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電特性。介質(zhì)的電特性主要包括電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε。前者主要影響電磁波的穿透和檢測深度。在中等電導(dǎo)率的情況下，后者決定了物體中的電磁波，因此所謂的電界面是電磁波傳播速度的邊界。不同的地質(zhì)體具有不同的電特性，因此在不同的地質(zhì)體之間的界面處會產(chǎn)生回波。

探地雷達(dá)基本參數(shù)如下。

2.1 電磁脈沖波旅行時(shí)間

式中：Z—勘查目標(biāo)體的埋深；x—發(fā)射、接收天線的距離（式中因Z＞x,故x可忽略）；V—電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

2.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：C—電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）；εr—介質(zhì)的相對介電常數(shù)，μr—介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般μr≈1）。

2.3 電磁波的反射系數(shù)

在電磁波在介質(zhì)中傳播的過程中，當(dāng)檢測到相對介電常數(shù)有明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波會引起反射和透射現(xiàn)象。反射和傳輸能量的分布主要與界面中電磁波的反射系數(shù)異常變化有關(guān)：

式中：r—界面電磁波反射系數(shù)；ε1—第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2—第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

2.4 探地雷達(dá)記錄時(shí)間和勘查深度的關(guān)系

式中：Z—勘查目標(biāo)體的深度；t—雷達(dá)記錄時(shí)間。

3 地質(zhì)雷達(dá)用于管線探測案例分析

3.1 工程概況

以某地質(zhì)工程為例，由于最近汛期不少道路出現(xiàn)涌水、拱起、塌陷的事故，這對周圍地質(zhì)生態(tài)環(huán)境與人員的安全構(gòu)成了巨大的威脅。

根據(jù)現(xiàn)場的有關(guān)信息和資料，在該地區(qū)地下約6m～7m的深度處，有一條污水管道，管道向東北走向，管徑為1800mm。本次主要應(yīng)用探地雷達(dá)法對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地下病害進(jìn)行快速檢測，并及時(shí)采取相應(yīng)處理措施，以防隨著地下地質(zhì)塌陷發(fā)育，最終導(dǎo)致地面塌陷等嚴(yán)重自然災(zāi)害的發(fā)生，造成周邊地下管線出事故。

3.2 現(xiàn)場測線布設(shè)情況

現(xiàn)場利用瑞典MALA地雷達(dá)，采用250MHz天線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共布置13條平行測線，測線均為長度22m左右，測線間距0.5m。

3.3 探測異常測線成果分析

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下。

圖2 側(cè)線 2

圖3 測線3

測線1分析：①距離測線1起點(diǎn)4m～7m處，深度1.2m，電磁波反射能量強(qiáng)、同相軸錯斷，存在不密實(shí)組合信號。②距離測線1起點(diǎn)10-11m處，深度1m，存在管線信號。

測線2分析：①距離測線2起點(diǎn)4m～8m處，深度1.5m，電磁波反射能量強(qiáng)、同相軸錯斷不連續(xù)，存在不密實(shí)組合信號。②距離測線2起點(diǎn)11m處，深度1m，存在管線信號。

測線3分析：①距離測線5起點(diǎn)3m～8m處，存在疑似不密實(shí)信號。②距離測線5起點(diǎn)11m處，深度0.7m存在地下管線信號。

4 結(jié)論及建議

利用探地雷達(dá)技術(shù)對地質(zhì)工程地下管線探查具有實(shí)際的成效和重要的指導(dǎo)意義。

本次探測嚴(yán)格按照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范及委托方要求執(zhí)行，達(dá)到了預(yù)期目的，本報(bào)告可作為學(xué)院地下異常體判別的依據(jù)以及地質(zhì)周圍地下管線的位置和埋深。通過雷達(dá)探測成果對比分析現(xiàn)將結(jié)論成果歸納如下：

（1）距離測線起始點(diǎn)3m處，存在一處約長5m、寬3m的不密實(shí)區(qū)域。

（2）現(xiàn)場探測地質(zhì)施工區(qū)域內(nèi)存在電力管線以及排水管道，位置不在道路出現(xiàn)涌水、拱起、塌陷的區(qū)域，地質(zhì)周邊管線相對安全不受影響。