地质雷达在地下管线探测中的应用

【摘要】掌握城市地下管线的分布、走向和埋深等信息具有重要的意义，但是使用传统金属管线探测仪无法满足探测要求。本文在简要介绍地质雷达的工作原理后，结合实际工程实例说明了地质雷达在地下管线探测中的作用。

【关键字】地质雷达 ； 地下管线 ； 探测 ； 应用；

中图法分类号 P642；文献标志码 A

引言

城市地下管线是现代城市的主要传导设备、重要的基础设施，担负着信息传输、能源输送等工作，而地下管线属于隐蔽性工程，我国现有的地下各类管线资料残缺不全，精度不够，给建设施工造成很大的不便。由于大量非金属管线的广泛应用，使用传统金属管线探测仪无法满足探测要求，因此对于非金属管线和较深管线来说地质雷达的作用就更加重大。

一、地质雷达工作原理

地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布，工作原理是：发射天线以宽频带短脉冲形式向地下发射电磁波，地下介质将一部分电磁波反射回地面，并被接收天线所接收，地质雷达所接收的信号就是地下介质所反射回来的电磁波信号，当遇到电性差异较大的界面或目的体时通常产生较强的电磁波信号，通过分析反射电磁波信号的能量、频率等参数，就可以区分地下有电磁差异的目标体。

图1 地质雷达工作原理示意图

图2 地质雷达记录的回波曲线

電磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。

地质雷达在勘查中的基本参数描述如下：

1）.电磁脉冲波旅行时

式中：z-勘查目标体的埋深； x-发射、接收天线的距离；v-电磁波在介质中的传播速度。

2）.电磁波在介质中的传播速度

式中 c—电磁波在真空中的传播速度（0.3m/ns）； —介质的相对介电常数， —介质的相对磁导率（一般 ）。

3）.电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

式中，r — 界面电磁波反射系数； —第一层介质的相对介电常数； —第二层介质的相对介电常数。

4）.地质雷达记录时间和勘查深度的关系

式中z — 勘查目标体的深度；t — 雷达记录时间。

二、数据处理与图像分析

（1）雷达数据的采集是分析解释的基础，数据处理则是提高信噪比，将异常突出化的过程。将野外采集的地质雷达数据传输至计算机中，应用配套地质雷达处理软件进行处理。

预处理，即标点的编辑、文件头参数设定及距离均一化，进行标点的编辑主要是将漏打的标点补上，多余的删除，使隧洞内所标桩号与雷达图像上的标点对应起来，在此基础上编辑文件头，设定适当的参数，并进行距离均一化。

经过预处理后，便可进行滤波、反褶积等处理，由于雷达接收到的电磁波频率范围较宽，有一部分高频和低频的干扰波，因此必须根据天线的中心频率确定滤波通道，进行滤波处理；反褶积主要是压制强反射体等的多次反射，从而达到突出有效信息，压制干扰波的目的，得到异常较明显的雷达图像。

（2）地质雷达图像的分析有定性和定量两种，定性分析主要是从彩图及波形图对探测范围内的异常体进行判定，确定异常体的属性，定量分析主要是用于对目的体的埋深、规模大小等的确定。

异常体深度的确定主要依赖于电磁波在介质中的传播速度的确定。根据实测雷达图像确定电磁波双程走时；电磁波速度则是根据电磁波在介质中的介电常数ε来确定，从而计算出目的体的位置。

对探测体进行雷达扫描，形成基本的波形图像，根据电磁波波形、振幅大小及电磁波同相轴连续性的好坏来判断探测体内是否存在缺陷。如果被探体内有空洞、不密实等不均匀体存在，就会在雷达图像上出现强反射异常，主要表现为反射能量强，同相轴连续性较差等特点。

三、 在四川某工地的应用情况

作者在本文例举了某工区地下污水管道地下地球物理勘探工作，使用了地质雷达对拟建场地进行了高频电磁法物探工作。本次勘察工作的目的是对测区内的电力、电信、给水、排水、燃气、热力、工业、不明管道管线进行普查工作，查明其在地表的平面位置、埋深、走向、性质等属性，为工程地质评价和设计提供依据。

图3非金属管道探测图

非金属管线一般为混凝土管、塑料管等 ，其导电性差，而道路下土层中通常含地下水，因此地下土层的电导率相对非金属要明显低，当遇到发射波时，非金属管线也会产生明显的反射波，不过一般情况下，其反射波强度要比金属管线弱，如图3所示在深度1.6米位置处，有明显的双曲线出现，连续性较好，埋深较深，管线较粗，弧形特征较为明显，推测为雨水管管线，这也是区分金属管非金属管的一个参数。

图4金属管道探测图

由于金属管线的电性（介电常数及电导率）与道路下土层的电性存在较大差异，因此管线顶部的反射波信号较强，上水管、煤气管均为金属管线，雷达波图像表现为“白色”，表示反射信号强。此外，由于管径较大，所以“弧形”宽度较宽。如图4所示，在深度约1米位置处，有明显的弧度，并延伸至深部，经过勘察与实际情况一致，推测为主上水管道。

四、 结论

地质雷达可以探测地下管线，并且可以弥补管线探测仪只能探测金属管线的不足，因此地质雷达在管线探测中可以发挥越来越重要的作用，但施工场地和地下地质条件比较复杂，解释中要综合考虑现场的实际情况，遵循从已知到未知，从简单到复杂，相对复杂条件下宜采用多种物探方法的原则。

参考文献

[1] 常铮，地质雷达的工作原理及应用[j]，山西建筑，2007，33（21）：126-127

[2] 陈军，赵永辉，地质雷达在地下管线探测中的应用[j]，工程地球物理学报，2005，2（4）：260-263

[3] 杨剑，李华，探地雷达在城市地下管线探测中的应用[j]，物探化探计算技术，2010，32（6）：669-673

[4] 王彪，谈地质雷达在探测地下管线中的应用[j]，工程建设与设计，2011，9（3）：130-134

作者简介：杜伟（1983—），女，从事地球物理勘查工作