探地雷达地下管网检测＊

杨 珍，程 琛，张俊杰，姜 升，魏明强

（西北民族大学，甘肃 兰州 730100）

城市地下管线是包括给排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业管道及其附属设施,在我国各城市中分布纵横交错,不仅为城市的正常运行提供强有力的保障,还可以为城市传递各类能源物质,被称为整座城市的"生命线"。在城市建设中，地下管线是不可或缺的,因此其中的地下管线分布情况就显得特别重要。

城市地下管线分布状况不明确,建设施工时经常由于地下管线走向和深度不明导致施工方进行施工时挖断供水、供气、热力、电力等各种管线的情况,这给城市的运行及发展带来诸多不便。

地下管网属于地下隐蔽工程,其特点是规模大、分布范围广、种类多、空间分布复杂、容易随着时间的增长发生较大的变化；而且常规的检测手段无法检测出地下管网详细分布情况。当前国内主要采用探地雷达法、电磁法以及机械式勘测法对地下管线进行检测,考虑到适用范围、勘测效率以及外界干扰等因素。本项目采用探地雷达法。探地雷达的无损检测技术的特点不仅包括高效性、高精度,而且成像十分迅速,能得到明显的波形图,直观的反应地下管线结构。

1 检测场地概况

1.1 检测概述

检测场地位于兰州市金昌路某小区内北侧、检测场地地形较为平整，地面高程在1515.58～1516.03米之间。从地貌单元上看，场地位于兰州市黄河南岸Ⅱ级地之上。场地地下水理深2.1～2.3 米，相应水位高程1613.35～1518.68 米，卵石层为其主要含水层，属阶地型潜水，地下水流向北东。

根据项目建设要求，对拟建场地采用探地雷达仪进行了地下管网检测。

1.2 检测内容

沿场地横向和纵向，间隔1m 的距离布置测线，对地下空洞进行检测，进而确定管道位置。

1.3 检测仪器设备

本次工作使用仪器设备如下：雷达设备选择：采用瑞典产RAMAC/GPR 地质雷达，选用500MHz 屏蔽天线。

采集软件选择：RAMAC GroundVision V1.4.5 版。

RAMAC/GPR 地质雷达是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它是利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测的。雷达组成及探测方法如下：

地质雷达系统主要由以下几部分组成（如下图所示）：

图1 雷达系统组成示意图

2 雷达检测基本原理

2.1 检测原理

探地雷达 (Ground Penetrating Radar,简称GPR) 的技术原理是高频信号脉冲通过电磁波的反射技术进行工作。探地雷达可分为两部分,分别是发射天线和接收装置。发射天线向介质中发射高频率(106～109Hz 或更高)的电磁波,电磁波的一部分在介质中折射,另一部分在介质中反射。接收控制装置进行接收反射的电磁波。当电磁波在介质中传播时,遇到有电差的界面设计就会产生反射。可以根据所接收到的电磁波的波形,振幅强度和时间，可以推断出目标体的具体位置和结构形状。如图2 所示。

图2 雷达系统组成示意图

根据电磁波理论,由天线发射出电磁波后，其在介质中传播过程中产生了电性差异交界面,这时由于上下介质的电磁特性不同而导致产生的折射和反射角度不同,由此便可得到所测得的雷达波形图。

利用软件对数据进行处理。对数据文件进行预处理、平均值、过滤和映射。最终得到各测线的成果图,从而对拟建场地地下管网分布走向、深度进行分析判断,进而得出地下管网分布图。

2.2 资料分析处理流程

GPR 数据包括预先处理（标记和校正站、添加标题、标志等），以及处理和分析。处理流程图如图3所示，其被设计来抑制干扰和随机规则，最高可能的解决方案显示的反射波，在地面穿透雷达来帮助异常信息有用突起（包括电磁波的传播速度，幅度和波形等）解释横截面图像。

探地雷达接收的是来自地下的反射波，它的正确性取决于检测技术参数可以选择一个合理、处理方法得当的数据信息、模拟研究实验类比和读图经验等因素。

图3 探地雷达数据处理流程图

3 检测情况

由于拟建场地原有管网不清晰，故针对拟建场地采用地质雷达仪进行地下管网检测，沿场地横向和纵向，间隔1m 的距离布置测线，对地下空洞进行检测，进而确定管道位置。测线布置情况如图4 所示。

图4 测线布置图

4 雷达图像分析

4.1 图像分析原理

记录在反射波，波形灰度显示或地面穿透雷达的垂直剖视图的一个脉冲波形形式的GPR 雷达图像。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对波的吸收程度不同,各介质均匀性也有一定差异,使得脉冲到达接收天线时,与原始发射波形有较大的差异,这种差异反映到雷达图像上就会产生明显的异常波形,从而进行定性分析判断。另外,外界噪声、振动、外加强电磁场的干扰,也会影响实测数据得到差异较大的雷达图像。因此,对接收信号进行技术处理,以改善信噪比的方法尤为重要。

探地雷达图像解释的核心内容是识别并判断目标体的特征和雷达图像干扰波。使用探地雷达进行探测时,外界噪声、振动、外加强电磁场对其结果影响较大,对于不同材料的相对介电常数、电导率、磁导率等不同,各自形成的反射波或绕射波能量强度不一,所得反射信号不同,故测得图像千差万别。工程实际验证,地质雷达检测同一类别会呈现出相同的特征；据此,可以判断检测图像并分析结果。

4.2 典型雷达图像

通过查阅资料，得到一系列地质雷达典型波形特征：

当混凝土达到密实时，其中的信号幅值较弱，甚至界面反射信号消失；当混凝土不密实时，界面有与绕射弧相轴相同的强反射信号，反射信号不连续且分散。

当碎石桩中部出现断桩情况时，桩身雷达信号清晰，从顶部开始桩身反射信号逐渐变窄，中部断桩处反射信号弱。

在腔体情况下，界面反射信号较为强烈，振动相位明显，下部仍有强反射界面信号，两组信号呈现较大时差。

探测到的钢筋会在进行图像中呈现出一个连续的小双曲线强反射控制信号，在雷达图像上反映出其特有的月牙形态。

5 检测结果

5.1 检测图像

图5 10 号测线

图6 11 号测线

通过比较10，11 号测线，可得10 号测线整体波动较大，11 号测线波动较小，可得出10 号测线与11号测线之间有竖直方向的管道，并且靠近11 号测线。如图5，图6 所示。

图7 13 号测线

图8 14 号测线

通过比较13、14 号测线，可得两条测线整体波动均较大，可得出13 号测线与14 号测线之间有竖直方向的管道。如图7，图8 所示。

比较10、11、13、14 号测线发现t=60s 时，四条测线均出现较小波动，可判断出t=60s 时此处有水平走向的管道。

图9 17 号测线

图10 18 号测线

图11 19 号测线

图12 20 号测线

综合比较17、18、19、20 号测线，四条测线图像波动均较大，可得出水平方向分布有三条管道。并且在t=35s 时四条测线均出现较大波动，可得出有一条竖直走向的管道交叉于三条水平走向的管道。当t=15s，t=28s 时，19、20 号测线处均波动较大，可判断有竖直方向的管道存在。如图9～图12 所示。

采用地质雷达进行检测时，空洞与土壤存在明显介电差异以及电磁导率差异，差异越大，空洞的反射特征越明显，这是进行探地雷达地下管网检测的基础。分析波形异常界面可对空洞大小进行定性分析判定，同一侧线若波形图全长呈现异常波动，说明该测线处于管线之上；若测线只有部分存在波形异常波动，说明该测线波形异常部位有管线经过。同时，可根据波形异常处波动大小定性判断管径。

6 结论

根据上述雷达扫描结果,并对结果进行处理分析,其处理流程如图3 所示,由于地下管网与地层岩体、土体存在一定的电性差异,介质均匀性不同,鉴于两者的电磁特性不同，导致产生不同角度的折射和反射,雷达波形图上产生的异常波形,通过对此种异常波形的定性分析和判断得出地下管网的分布情况,判断出其具体的走向以及深度范围等情况。

图13 是由分析结果绘制的拟建场地地下管网分布情况图,其中有两类管网,第一种管网埋深约1.0m 断面约1.0m2,第二种管网埋深约0.5m 断面约0.1m2。

图13 地下管网结果简图