地下管线探测中探地雷达技术应用研究

范亚男

(天津市测绘院，天津300381)

一、引 言

探地雷达作为一种无损的探测设备，其在工程测量领域的应用逐渐增多，高速公路、铁路路基检测，考古发掘探测及隧道内部探伤等各项工程探测都使用探地雷达技术作为主要探测手段［1］。近年来，探地雷达也在全国多个省市的地下管线普查中成为必不可少的探测设备，扮演着越来越重要的角色，为解决地下管线探测难题提供了新的方法。本文结合探地雷达在天津市城区地下管线探测中的应用，对其探测方法和效果进行了探讨，从而为城市地下管线探测提供了实际可用的经验。

二、地下管线探测现状

1．城市管线铺设情况

随着我国许多城市的不断发展和扩张，作为城市居民主要生活配套的各类管线的铺设规模越来越大，城市道路路面下管线也越来越密集，为城市发展提供服务的地下管线测绘工作也显现出更为重要的作用［2］。以天津市中心城区为例，其各条主干道均铺设有电力、通信、天然气、自来水、排水、热力等各类生活配套管线。随着市区房地产项目的开发，道路上铺设的管线数量越来越多、管线的管径越来越大、管线的走向也越来越复杂，对城市管线探测提出了更高的要求，特别是近年来非金属材质管线的铺设为管线探测带来了新的难题，见表1。

表1 天津市城区主要地下管线相关参数

2．常规地下管线探测方法

在城市地下管线探测中，电磁法是最常用的地下管线探测方法，对应的管线探测仪比较常用的有雷迪RD8000、里奇SR-20等型号，一般由发射机和接收机两部分组成。电磁法探测地下管线的原理是通过发射机在目标管线上加载电流，然后利用接收机在目标管线上方感应磁场产生电流信号，根据电流的强弱来判断管线的位置和埋深等信息，在目标管线上加载电流可以采用直连法、感应法和夹钳法等，一般需根据现场实际情况采用不同的方法来探测管线［3］。

电磁法探测管线需要在目标管线上加载和传递电流，因此要求目标管线需是金属等导电材质，而对于非金属管线来说，它不具备导电的性质，使用电磁法探测就失去了效果。随着城市非金属材质地下管线的铺设越来越常见，传统的金属管线探测仪已不能满足地下管线探测的要求，而探地雷达技术作为新的探测手段，能够完成非金属管线的探测工作，弥补了金属探测仪的不足。

3．探地雷达原理及应用

(1)探地雷达原理

探地雷达一般由便携式计算机、主机、天线、电源及其他附件组成，通过天线发射和接收高频电磁波信号，然后经过主机的处理，由便携式计算机将结果显示出来，如图1所示。探地雷达所发射的高频电磁波信号由紧贴地面的发射天线发出后，穿过土壤等介质到达目标管线时，因土壤和管线材质的导电性存在差异，部分电磁波信号会被反射至地面被天线接收，然后雷达主机将天线接收到的信号处理后以图像的形式显示出来，即可以根据图像来判断目标管线的位置等信息［4］。

图1 探地雷达的组成单元

(2)探地雷达用于管线探测

①探测方法

探地雷达探测地下管线前首先需要搜集目标管线周围的管线资料，依据现有资料对目标管线位置进行初步判断;然后需要在目标管线疑似位置布设合适的测线，在各条测线上采集探地雷达探测的数据;最后依据探测得到的图像对目标管线的位置和埋深进行判断。

在布设测线时，测线方向应垂直于目标管线的可能走向，测线长度以覆盖目标管线可能的分布位置为宜，至少应包括目标管线两侧各2 m范围。测线位置应选择在平坦地面上，地面无金属物和障碍物，尽量选择泥土及方砖地面，避开沥青地面。测线应布设多条，若探测结果已可准确判断目标管线，则无须更多测线，如果探测结果不能确定，则需布置多条邻近测线进行综合判断，如图2所示。

②管线位置及埋深判断

以如图3所示对应的管线为例，目标管线的平面位置即为该图像上抛物线的最高点所在位置，在探测时，遇到的多为圆柱形管线，当探地雷达经过圆柱形管线时，电磁波的回波信号呈现为抛物线的形状，管线的中央位置离地面距离最近，因此抛物线的顶端所在位置即为管线位置。另外，管线的埋深也取决于抛物线最高点对应的深度，但探地雷达图像上纵轴一般对应的是电磁波信号传递的准确时间，还需准确判断电磁波在目标管线周围土壤等介质中的传播速度才可获取管线的准确埋深，但往往土壤中的介质是不均匀的，电磁波在其中的传播速度也没有统一的计算模型。目前在实际探测工作中采用的方法一般为对比测量法，即先获取目标管线附近已知埋深为hi的管线的雷达图像，然后通过如下公式计算目标管线的准确埋深

式中，ti表示已知管线在探地雷达图像上对应的传播时间;H为目标管线的埋深;T为目标管线对应探地雷达图像上的传播时间。

图2 探地雷达布设测线位置

图3 目标管线的探地雷达图像

4．探地雷达探测实例

(1)有效案例

探地雷达用于地下管线探测效果的好坏取决于目标管线所在位置的土壤环境，因此并非所有的探测都能取得较好的效果。如图4所示为天津市某路段探地雷达的探测结果，该图像明显表示出了各管线所在的位置，抛物线的特征明显。经与已有资料比对和现场勘查，图中所标记的抛物线特征对应的是现场聚氯乙烯(PVC)材质的中水管线，天津市大部分中水管线为PVC材质，使用金属探测仪无法对其进行探测，但是使用探测雷达就能够很好地获取其位置和对应的埋深，探地雷达对解决非金属管线的探测难题是有效的。

图4 某道路上管线的探地雷达图像

(2)无效案例

通过多次的探测实践，笔者发现探地雷达在一些情况下效果是不明显的。如图5所示，该探地雷达图像是在夏季的旱地中采集的，现场实际存在一条埋深为1．8 m，管径为2 m的排污管线，在确定探地雷达不存在故障的前提下，经多条测线的重复探测，探测结果始终如图5所示，没有明显的回波信号，无法判断管线所在位置，探地雷达失去了效果。据分析，因此时旱地中土壤含水量较高，且比较疏松，其对电磁波的吸收比较明显，探地雷达天线无法接收到目标管线反射的电磁波信号，导致无法从对应图像中判断目标管线位置。可见，土壤环境对探地雷达的探测效果会有较大影响。

图5 旱地中采集的探地雷达图像

5．土壤含水率对探地雷达探测效果影响

通过对探地雷达无效案例的分析，笔者发现土壤的含水率的大小决定了探地雷达探测管线的效果，含水量较高的土壤或是在雨量较多的季节，探地雷达探测管线的效果较差，不易获取目标管线的有效信息。反之，土壤较为干燥的情况下，其对电磁波的吸收较少，探地雷达的效果较好。

探地雷达发射高频电磁波进行探测时，土壤等介质的对电磁波的吸收系数β与电导率σ成正比［5］，即

若管线所在土壤等介质的介电常数εγ不变，当电导率σ增大时，土壤等介质对电磁波的吸收系数β就会同步增大，那么探地雷达发射的电磁波在被接收天线接收之前就可能已经全部被土壤吸收，无法达到探测管线的目的。而土壤的电导率又与土壤含水量有着如图6所示的线性关系［6］，当土壤含水率在一定范围内增加时，土壤的电导率同步增加，导致土壤对电磁波的吸收系数也增长，因此含水率较高的土壤对电磁波的吸收较为明显，探地雷达的探测效果较差。

图6 土壤含水率ηw对其电导率σ的影响

若管线所在土壤等介质的电导率不变，当其介电常数较小时，对电磁波的吸收就较强，探测效果就不明显;当其介电常数较大时，对电磁波的吸收就较弱，探测效果就较为明显。表2为各常见介质的介电常数，因沥青的介电常数较小，其对电磁波的吸收较强，因此在使用探地雷达进行管线探测时，应避开沥青路面布设测线。

表2 常见介质介电常数

三、结束语

探地雷达作为一种轻型、便携、无损的探测设备，将其用于城市地下管线探测是可行的，可以有效获取目标管线的位置及埋深。同时，在天津市城区常见的探测环境下，影响探地雷达探测效果的主要因素是土壤的含水率，含水率较高的土壤对探地雷达电磁波的吸收较强，探测得到的雷达图像不能明显反映目标管线的信息。因此在实际探测工作中，除了采用正确可行的探测方法，还应该选择土壤环境较好的地段获取数据，并与其他探查手段配合使用，对目标管线的信息加以综合判断，得出准确的结果。

［1］ 王佳，谬爱伟．地质雷达在复杂公路探测热力管线的研究及应用［J］．城市勘测，2013(5):164-167．

［2］ 黄志洲，戴相喜，陶书竹．城市地下管线信息化建设思路探讨［J］．城市勘测，2012(4):35-38．

［3］ 李凤之．地下管线探测方法技术与探测队伍施工组织［J］．测绘通报，2013(S1):83-85．

［4］ 汤博．瑞典MALA探地雷达在管线探测中的应用［J］．城市勘测，2015(1):95-97．

［5］ 钱荣毅，王正成，孔祥春，等．探地雷达在非金属管线探测中的应用［J］．市政技术，2004，22(5):327-329．

［6］ 孙宇瑞．土壤含水率和盐分对土壤电导率的影响［J］．中国农业大学学报，2000，5(4):39-41．