黃東海

（廣州科測(cè)空間信息技術(shù)有限公司，廣州 510630）

1 引言

物探技術(shù)作為城市地下管線(xiàn)探測(cè)的主要技術(shù)手段，從原理角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)外將此項(xiàng)技術(shù)分為波動(dòng)場(chǎng)方法、諧和場(chǎng)方法和感應(yīng)場(chǎng)方法，常用技術(shù)手段有地震散射波法、超聲導(dǎo)波檢測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)法等。其中，地質(zhì)雷達(dá)法運(yùn)用高頻電磁波對(duì)地下物體進(jìn)行探測(cè)，一旦遇到探測(cè)目標(biāo)，將立刻產(chǎn)生反射訊號(hào)，通過(guò)接收天線(xiàn)輸入接收機(jī)，最后由示波器將放大后的信息直觀展示出來(lái)，不僅能夠判斷探測(cè)區(qū)域是否存在被測(cè)目標(biāo)，還可以根據(jù)滯后時(shí)間、平均反射波速計(jì)算探測(cè)目標(biāo)距離。

2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)原理及應(yīng)用條件

2.1 技術(shù)原理

對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)而言，其實(shí)現(xiàn)地下探測(cè)的關(guān)鍵在高頻電磁波，通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射的天線(xiàn)向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射頻率范圍為12.5～1200 MHz、脈沖寬度為0.1 ns 的脈沖電磁波訊號(hào)，當(dāng)探測(cè)過(guò)程中遇到探測(cè)目標(biāo)時(shí)，將產(chǎn)生反射訊號(hào)，由接收天線(xiàn)接收，并傳輸至接收機(jī)[1]。此時(shí)，可根據(jù)示波器有無(wú)反射訊號(hào)、發(fā)射波雙程旅行時(shí)間、電磁波傳輸速度做出準(zhǔn)確判斷，并通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算得到被探測(cè)物的地下深度，進(jìn)而確定位置。計(jì)算公式為：

式中，D 為地層深度，m；V 為電磁波波速，m/s；Δt 為發(fā)射波雙程旅行時(shí)間，s。

除此之外，電磁波傳播的走時(shí)計(jì)算公式為：

式中，t 為電磁波脈沖旅行時(shí)間，s；z 為埋深，m；x 為天線(xiàn)間距，m。受介質(zhì)影響，電磁波波速公式為：

式中，c 為真空環(huán)境下電磁波波速，約為0.299 79 m/ns；εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；μr為介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率，一般情況下約等于1。

地質(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)城市地下管線(xiàn)探測(cè)的原理為：目標(biāo)物與均勻介質(zhì)之間在參數(shù)條件方面存在差異，包括磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等，致使有無(wú)反應(yīng)物下的反射波回波數(shù)據(jù)存在不同，故可通過(guò)對(duì)雷達(dá)波強(qiáng)度、幾何形態(tài)、波形進(jìn)行分析的方法對(duì)目標(biāo)物相關(guān)信息進(jìn)行判斷，推測(cè)城市地下管線(xiàn)的平面位置和埋深。

2.2 應(yīng)用條件

一般情況下，城市道路路面材料為瀝青或水泥，下部土層大多為回填土，夾雜塊石和建筑垃圾，部分道路為改建工程，地下往往殘留原建筑垃圾，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)探測(cè)城市地下管線(xiàn)時(shí)，路面材料、下部土層、原建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成分的差異性容易引起地下介質(zhì)極不均勻現(xiàn)象，給技術(shù)實(shí)施造成影響。

發(fā)射波于土層中的速度范圍在0.08～0.095 m/ns。介電常數(shù)方面，土層與金屬管線(xiàn)、非金屬管線(xiàn)均具有差異，當(dāng)電磁波探測(cè)到金屬光線(xiàn)后會(huì)發(fā)生全反射，管道內(nèi)無(wú)反射，電磁波波速為0；非金屬管線(xiàn)主要為塑料、鋼筋混凝土等，內(nèi)部多為氣體、水體，其中，混凝土和各水土層介電常數(shù)分別在5～7 和10～15范圍內(nèi)，與周?chē)临|(zhì)明顯不同，這些差異的存在正是運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地下管線(xiàn)的地球物理前提條件。

電磁波傳播時(shí)，介質(zhì)不同，其最終呈現(xiàn)的現(xiàn)象也存在差異，即折射、反射、衍射等。介質(zhì)的介電常數(shù)小意味著其具有波速大的性質(zhì)，介電常數(shù)大意味著其具有波速小的性質(zhì)，當(dāng)電磁波從波速大的介質(zhì)進(jìn)入波速小的介質(zhì)時(shí)，呈現(xiàn)的反射系數(shù)為負(fù)，反則為正。通常狀況下，金屬管線(xiàn)為全反射，振幅強(qiáng)，而非金屬反射較弱。

3 實(shí)例分析

為增強(qiáng)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用分析實(shí)踐性，故選取某金屬管道工程和非金屬管道工程來(lái)分別探究地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。

3.1 廣州市地下管線(xiàn)探查精度要求

地下管線(xiàn)探測(cè)是城市地下空間管理、城市整體規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)工作，目前，廣州市地下管線(xiàn)普查采用綜合解析法等內(nèi)外一體化作業(yè)方式，實(shí)行動(dòng)態(tài)、信息化管理模式。其中，地下管線(xiàn)探查精度如表1 所示。

表1 地下管線(xiàn)探查精度

3.2 金屬管道實(shí)例分析

3.2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)述

項(xiàng)目為輸水管廊和道路提升工程，全長(zhǎng)6.3 km，已有資料現(xiàn)實(shí)某路口位置下方存在供水管，管徑2400 mm，材質(zhì)鑄鐵，在已知大致平面位置的前提下采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)精確其埋深和具體位置。

3.2.2 技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)有資料，該管線(xiàn)埋深較大，地面雷達(dá)探測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確獲取相關(guān)信息，因而采用空中雷達(dá)方法，運(yùn)用孔內(nèi)雷達(dá)通過(guò)單孔反射方式進(jìn)行探測(cè)，一旦電磁波訊號(hào)遇到介電差異物質(zhì)，其產(chǎn)生的反射波將被接收機(jī)有效接收，依托于雙孔交會(huì)實(shí)現(xiàn)供水管埋深、位置的精準(zhǔn)判斷。每組鉆孔以目標(biāo)管線(xiàn)為基準(zhǔn)按中心對(duì)稱(chēng)方式設(shè)計(jì)分布，鉆孔部署如圖1 所示。

圖1 鉆孔部署示意圖

3.2.3 探測(cè)成果

以ZK1 和ZK2 為例，首先圍繞ZK1 開(kāi)展孔內(nèi)雷達(dá)探測(cè)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)存在異常反應(yīng)，且距離地面深度8 m、距離鉆孔水平1.5 m 左右，記錄數(shù)據(jù)后開(kāi)展ZK2 的孔內(nèi)雷達(dá)探測(cè)工作，同樣發(fā)現(xiàn)異常反應(yīng)，距離地面深度8.2 m、距離鉆孔水平1.4 m 左右。由于此項(xiàng)工程可以通過(guò)現(xiàn)有資料得到管線(xiàn)的大致平面位置，因而已有資料和探測(cè)資料的兩相結(jié)合，基本可以確定此為目標(biāo)管線(xiàn)。待完成各組鉆孔的孔內(nèi)雷達(dá)探測(cè)作業(yè)后，即可獲得管線(xiàn)具體信息。

3.3 非金屬管道實(shí)例分析

3.3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)述

工程項(xiàng)目為城市河流供水管道擴(kuò)建項(xiàng)目，線(xiàn)路全長(zhǎng)9 km，由于城市地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為不發(fā)生地下管線(xiàn)被破壞等事故，對(duì)供水管道兩側(cè)20 m 范圍內(nèi)的地下管線(xiàn)分布情況進(jìn)行探測(cè)。

3.3.2 技術(shù)應(yīng)用

目標(biāo)區(qū)域地下管線(xiàn)豐富，存在給排水管道、部分工業(yè)管道、電力通信線(xiàn)等，其中，針對(duì)非金屬材質(zhì)的小管徑供水管道和排水管線(xiàn)采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展探測(cè)作業(yè)，此外，現(xiàn)存的金屬管道、電力通信線(xiàn)結(jié)合使用管線(xiàn)儀電磁感應(yīng)法探測(cè)。本次工程選用專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)探測(cè)雷達(dá)，內(nèi)置雙頻雙通，屏蔽天線(xiàn)250 MHz+700 MHz，定位系統(tǒng)由外接GPS 和內(nèi)置測(cè)距輪組成，動(dòng)態(tài)范圍大于或等于160 dB，脈沖重復(fù)頻率400 kHz，經(jīng)典采樣點(diǎn)數(shù)512 點(diǎn)/掃，一次掃描相當(dāng)于完成淺部和深部管線(xiàn)的分布探測(cè)。

部署測(cè)線(xiàn)時(shí)，應(yīng)把握技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)有：（1）選擇平整場(chǎng)地，保證貼地探測(cè)質(zhì)量，降低地面和天線(xiàn)間的耦合程度；（2）提前了解場(chǎng)地干擾因素，測(cè)線(xiàn)布置應(yīng)盡量避開(kāi)；（3）開(kāi)展實(shí)際探測(cè)作業(yè)前，大致了解目標(biāo)管線(xiàn)信息，主要是走向、平面位置，并使測(cè)線(xiàn)垂直于管線(xiàn)。

為保證探測(cè)結(jié)果質(zhì)量，本次工程立足于現(xiàn)有資料采取垂直于管道走向的方式布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線(xiàn)，共68 條，分為兩個(gè)地點(diǎn)逐一開(kāi)展雷達(dá)探測(cè)作業(yè)，落實(shí)濾波、時(shí)深轉(zhuǎn)換等一系列處理工作得到斷面雷達(dá)圖像，分析其呈現(xiàn)的反射電磁波特征對(duì)地下管線(xiàn)位置、材質(zhì)等信息進(jìn)行判斷。

3.3.3 探測(cè)成果

探測(cè)點(diǎn)1 的雷達(dá)探測(cè)圖像如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)探測(cè)圖像（探測(cè)點(diǎn)1）

本次工程中，經(jīng)過(guò)分析探測(cè)點(diǎn)1 的雷達(dá)圖像發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域管材為PVC 管，管頂埋深0.65 m 左右，管徑250 mm。為驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果，采取開(kāi)挖驗(yàn)證方法，在實(shí)際測(cè)量后發(fā)現(xiàn)管頂埋深實(shí)為0.71 m，誤差6 cm，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)下的探測(cè)結(jié)果精度滿(mǎn)足城市地下管線(xiàn)探測(cè)技術(shù)規(guī)程要求。探測(cè)點(diǎn)2 處的地下管線(xiàn)為水泥管，管頂埋深1.25 m，管徑300 mm，采取同樣驗(yàn)證方法發(fā)現(xiàn)，管頂埋深實(shí)為1.36 m，誤差11 cm，精度符合要求。

4 總結(jié)與建議

作為廣泛應(yīng)用于在管道探測(cè)領(lǐng)域中的技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在地下金屬管道和非金屬管道的探測(cè)中均取得理想的應(yīng)用效果，不僅不受環(huán)境限制，操作簡(jiǎn)單，還可以實(shí)時(shí)傳輸探測(cè)目標(biāo)的剖面及現(xiàn)場(chǎng)情況。根據(jù)上述工程案例，無(wú)論是金屬管道還是非金屬管道，均通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)準(zhǔn)確獲得地下管線(xiàn)埋深、分布、管徑等信息，這表明該物探技術(shù)應(yīng)用于城市地下管線(xiàn)探測(cè)工程中是可行的，給出的數(shù)據(jù)結(jié)果、探測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐叵鹿芫€(xiàn)探測(cè)精度要求，能夠很好地解決城市地下管線(xiàn)探測(cè)難題。但同時(shí)，也應(yīng)做到以下建議：

1）作為一種有效探測(cè)城市地下管線(xiàn)的物探技術(shù)，總體來(lái)看具有探測(cè)效率高、適用場(chǎng)景多、操作簡(jiǎn)單、分辨率高等特點(diǎn)，在實(shí)際探測(cè)項(xiàng)目中，應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有資料的作用，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)地下金屬、非金屬管線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)，從而獲得更為準(zhǔn)確的管道數(shù)據(jù)。

2）為進(jìn)一步提高地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的地下管線(xiàn)探測(cè)精度，可以結(jié)合使用其他方法進(jìn)行綜合探測(cè)，如三維探地雷達(dá)技術(shù)、孔中雷達(dá)探測(cè)技術(shù)等，根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整技術(shù)方法，尤其是埋深較大（大于5 m）、周遭土壤介質(zhì)較為濕潤(rùn)的地下管線(xiàn)，從而不斷校正數(shù)據(jù)，優(yōu)化探測(cè)結(jié)果。

3）工程實(shí)例成果表明，地質(zhì)雷達(dá)更適用于埋深小、周?chē)蓴_因素少以及非金屬材質(zhì)的地下管線(xiàn)探測(cè)場(chǎng)景。開(kāi)展實(shí)際探測(cè)作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)管線(xiàn)管徑、種類(lèi)采用差異化頻率甜菜開(kāi)展工作，以此高效探測(cè)地下異常體。外加現(xiàn)代城市地下管線(xiàn)分布多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在道路層狀界面、填土不均勻介質(zhì)等干擾下，可以采取開(kāi)挖驗(yàn)證，從而減少探測(cè)失誤，提高技術(shù)精度。