三维地质雷达在城市地下管线探测中的应用

陈阳标 徐志浩

（中交上海航道局有限公司,上海 200136）

自改革开放后,我国经济总量和综合国力显著提升,主要表现在城市现代化进程加快和对城市地下空间的不断拓展。随之而来的问题是城市地下管线设施分布密集,种类繁多。为避免地下施工过程破坏已有地下管线,管线普查探测是合理科学利用地下空间的前提条件。城市地下管线主要有污水、雨水、给水、热力、燃气管线等,管线材质主要为钢、砼、塑料等工程材料[2]。物探主要以目标体的物理性质差异为基础进行探测,如密度、电性、磁性、放射性等,地质雷达法具有高精度、高效率、连续无损、实时成像和结果直观等优点,在城市地下管线探测中得到广泛应用[3-4]。

1 项目背景

盐城市部分管线淤堵、腐蚀、破坏严重,在管网修复和新建过程中原有的燃气、强电、国防光缆、自来水等高危和对人民生活影响较大的管线位置不明确,给工程实施带来了极大的安全隐患,需要对相应区域内（物探范围总计约9.2km2）的综合管线进行探测,通过物探的方法探测查明各种地下管线的埋设情况,为盐城市水环境综合治理项目的顺利实施提供及时、适用的设施信息保证,该系统还可纳入地下管线信息管理系统,为系统的升级、更新及城市道路综合改造的规划、设计、施工和管理提供最全面、最准确的基础数据。

2 地质雷达探测管线

2.1 基本原理

地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～1GHz）电磁技术。地质雷达探测利用一个天线发射高频（106～109Hz）宽频带脉冲电磁波,另一个天线接收来自地下介质界面的反射波[5]。电磁波在介质中传播时,根据电磁波在有耗介质中的传播理论,其路径、电磁场强度与波形将随着介质的电性及几何形态而变化,因此根据接收到波的旅行时间、幅度与波形资料可推断介质结构[6]。

2.2 地质雷达探测技术的优点

地质雷达相对与其他物探手段有一些显著优势,主要表现在以下几点：

2.2.1 地质雷达是一种非破坏技性的探测技术,可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场,工作场地条件宽松,适应性强。

2.2.2 抗电磁干扰能力强,可在城市内各种噪声环境下工作,环境干扰影响小。

2.2.3 具有工程上较满意的探测深度和分辨率。现场直接提供实时剖面记录图,图像清晰直观。

2.2.4 便携微机控制数字采集、记录、存储和处理。轻便类仪器现场仅需一人即可工作,工作效率高。

3 三维地质雷达原理及技术优势

三维地质雷达与传统的二维地质雷达、多通道地质雷达在天线排列方式及应用效果上有着本质差别,主要体现在以下几个方面[6]：

3.1 设计轻捷,可选用多种方式探测。本次探测任务使用MIRA-200MHz-16 三维地质雷达,可根据测量环境的差别采用车载、人力拖拉、推车系统多种方式测量。

3.2 三维阵列天线技术。阵列天线均以相同的角度斜向极化,一次纵向扫描就可以同时采集完横纵两个方向的有效信号,实现了真正的、高效的三维探测模式。

3.3 高精度定位技术。三维雷达现场采集数据时,通过其定位系统（全站仪或GPS RTK）对天线阵高精度定位处理,精度一般可达到厘米级,保证了雷达数据的精确归位,便于直观解释雷达图像。

3.4 配套成熟的三维数据处理解释软件。本文使用的rSlicer 是唯一的无缝进行数据输入和处理解释的软件。可以很方便地解释海量的雷达数据,软件简单直观,不需要复杂的数据输入。它包括地形编辑、坐标系统变换、立体化、三维偏移、交互式成果解释。

4 应用案例分析

4.1 某水环境治理项目探测工作方案

本文在对测区现场踏勘及仪器方法试验的基础上,采用瑞典玛拉公司生产的MIRA-200MHz-16 三维地质雷达,设置合理采集参数,使用车载及人力拖拉的方式完成了对测区的三维地质雷达数据采集。由于采集过程中受周围环境电磁信号、仪器本身的噪音和地下介质的复杂性等因素的影响,记录的信号除地下地层的信号以外,还会有许多其他干扰因素,这些干扰因素降低了信号的信噪比,掩盖了真实异常信号并且产生假异常,使检测判断的结果不准确,因此在利用雷达资料进行检测结果解释之前,还需要进行数据处理来压制干扰波突出有用信号,提高信号的信噪比。本文三维雷达数据处理、解释采用MALA 处理解释软件rSlicer,对三维雷达数据进行去直流漂移、增益、滤波、三维偏移处理、地形校正；对三维雷达数据体进行剖面解释、平面解释。

经过技术分析和论证,制定探测方案如下：

（1）采用数值模拟方法分析不同属性管线地质雷达响应特征,总结不同雷达技术参数对管线探测效果的影响。

（2）利用地质雷达法对试验区进行详查,在兼顾纵向勘探深度和纵横向分辨率的情况下拟选取200 MHz 三维地质雷达,160 MHz 二维地质雷达,采用多频覆盖方法对试验区进行立体综合探测,查明试验区地下隐伏管线的分布情况。

（3）对于埋深较大的金属管线、雷达剖面上存在多解性不易区分辨别区域,用金属管线探测仪进行补充探测,重点区段通过采用地质雷达和管线探测仪两种方法对比分析进一步提高解释精度。

4.2 探测结果分析

如图1 所示,为A 区域三维雷达数据rSlicer 软件解释成果图,其由水平断面、纵断面、横断面三部分图像组成。从深度约为0.80m 水平断面上能够清晰的看到条带状管线特征图像（黄色框①）,反映了地下管线的真实形态；从纵断面上可看到典型的管线抛物线特征图像（黄色框②）,从图中拾取抛物线的顶点确定其埋深约为0.80m（双程走时16ns,参考波速0.1m/ns）,即水平断面与纵断面判断分析的管线埋深一致,图像特征吻合,实现了交互式成果解释。同时,在横断面上可看到水平状的强反射图像特征（黄色框③）,也从侧面佐证了此处地下异常显示为地下管线在雷达图上的反映。至此,完成了三维雷达地下管线多尺度综合解释。

图1 A 区域rSlicer 三维地质雷达数据处理结果显示

由于三维地质雷达图像与定位信息（坐标文件）结合,使得雷达数据处理结果包含实际地物位置信息,提取雷达图像中疑似管线异常的坐标信息,可为实际查找管线提供重要参考。如图2,根据探测拾取的坐标定位（图中点1-1、1-2）与实际已知管线位置（图中黑色实线）对比分析,结果显示探测成果水平位置误差5cm、管线埋深误差4cm,均在误差范围内。

如图3 所示,为B 区域三维雷达数据rSlicer 软件解释成果图。从水平断面雷达图像中看出此路段实现了全覆盖无缝拼接,图中黄色点连成的线段即雷达行驶的GPS 轨迹,雷达图像中含有坐标信息,易于解释异常体,进行现场定位从水平断面图上可以明显看到一条过路条带状异常体（红色框①）,管顶切片深度0.14m,随着时间、深度增加,带状异常变宽至消失。根据左下方纵断面图来看,此处顶部表现为倒悬双曲线形态,绕射波明显,整体振幅强,顶部反射波与入射波同向,频率高于背景场（红色框②）,拾取管顶埋深约0.14m（双程走时2.8ns,参考波速约0.1m/ns）,再根据右下角横断面图来看,水平强反射同相轴,相对平直（红色框③）。结合三个方向的切片图我们可以推测该处异常为地下管线。同时,从水平断面图中还可看到三个条带状管线特征图像（红色框④、⑤、⑥）,经多尺度交互式解释（图4、5、6）及管线图对比分析确定此处为三条不同埋深的过路管线。

图4 管线二纵断面与横断面结果显示

图5 管线三纵断面与横断面结果显示

图6 管线四纵断面与横断面结果显示

如图7 所示,根据拾取的管线坐标点将其投射到已知管线成果图中,图中黑色为管线仪探测成果且已验证,红色为三维地质雷达探测的管线,通过二者对比分析发现,三维地质雷达的探测成果不管在管线水平位置还是管线埋深均在误差范围内（表1）。

表1 管线探测误差分析成果表

图7 探测管线与已知管线对比分析图（黑色为已知管线、红色为探测管线）

5 结论

对于一般的物探方法在管线探测方面有其明显不足之处,如电磁法对于金属管线探测效果较好,而对非金属管线探测效果较差；地震映像法在探测过程中容易受到地下介质及周围环境的影响；磁梯度法探测需要采用钻孔的方式把磁力梯度仪下放至钻孔中对工区路面造成破坏；高密度电法探测成果精度误差较大。本文在权衡各物探方法测量效率、质量、误差的基础上,选择了三维地质雷达完成探测任务,物探成果以管线探测成果图中拾取的坐标点呈现。三维地质雷达作为一种便捷、无损、高效的地下管线探测新技术,其探测成果具有较高的横向分辨率及纵向探测深度,管线成像效果直观便于解释；另外,通过无缝高密度扫描得到的三维雷达数据体,可进行水平方向、垂直方向的任意深度切片展示地下管线不同维度的细节特征,从而完成交互式处理解释。本次地下管线探测表明,三维地质雷达在城市地下管线探测方面应用效果良好,但其对于大埋深管线（埋深大于5m）探测目前是个盲区,需要结合其他手段综合探测。