城市地下管线探测中物探技术的应用

黄东海

（广州科测空间信息技术有限公司，广州 510630）

1 引言

物探技术作为城市地下管线探测的主要技术手段，从原理角度来看，国内外将此项技术分为波动场方法、谐和场方法和感应场方法，常用技术手段有地震散射波法、超声导波检测法、地质雷达法等。其中，地质雷达法运用高频电磁波对地下物体进行探测，一旦遇到探测目标，将立刻产生反射讯号，通过接收天线输入接收机，最后由示波器将放大后的信息直观展示出来，不仅能够判断探测区域是否存在被测目标，还可以根据滞后时间、平均反射波速计算探测目标距离。

2 地质雷达技术原理及应用条件

2.1 技术原理

对于地质雷达技术而言，其实现地下探测的关键在高频电磁波，通过发射机发射的天线向目标区域发射频率范围为12.5～1200 MHz、脉冲宽度为0.1 ns 的脉冲电磁波讯号，当探测过程中遇到探测目标时，将产生反射讯号，由接收天线接收，并传输至接收机[1]。此时，可根据示波器有无反射讯号、发射波双程旅行时间、电磁波传输速度做出准确判断，并通过数据计算得到被探测物的地下深度，进而确定位置。计算公式为：

式中，D 为地层深度，m；V 为电磁波波速，m/s；Δt 为发射波双程旅行时间，s。

除此之外，电磁波传播的走时计算公式为：

式中，t 为电磁波脉冲旅行时间，s；z 为埋深，m；x 为天线间距，m。受介质影响，电磁波波速公式为：

式中，c 为真空环境下电磁波波速，约为0.299 79 m/ns；εr为介质相对介电常数；μr为介质相对磁导率，一般情况下约等于1。

地质雷达实现城市地下管线探测的原理为：目标物与均匀介质之间在参数条件方面存在差异，包括磁导率、电导率、介电常数等，致使有无反应物下的反射波回波数据存在不同，故可通过对雷达波强度、几何形态、波形进行分析的方法对目标物相关信息进行判断，推测城市地下管线的平面位置和埋深。

2.2 应用条件

一般情况下，城市道路路面材料为沥青或水泥，下部土层大多为回填土，夹杂块石和建筑垃圾，部分道路为改建工程，地下往往残留原建筑垃圾，运用地质雷达技术探测城市地下管线时，路面材料、下部土层、原建筑基础结构成分的差异性容易引起地下介质极不均匀现象，给技术实施造成影响。

发射波于土层中的速度范围在0.08～0.095 m/ns。介电常数方面，土层与金属管线、非金属管线均具有差异，当电磁波探测到金属光线后会发生全反射，管道内无反射，电磁波波速为0；非金属管线主要为塑料、钢筋混凝土等，内部多为气体、水体，其中，混凝土和各水土层介电常数分别在5～7 和10～15范围内，与周围土质明显不同，这些差异的存在正是运用地质雷达探测地下管线的地球物理前提条件。

电磁波传播时，介质不同，其最终呈现的现象也存在差异，即折射、反射、衍射等。介质的介电常数小意味着其具有波速大的性质，介电常数大意味着其具有波速小的性质，当电磁波从波速大的介质进入波速小的介质时，呈现的反射系数为负，反则为正。通常状况下，金属管线为全反射，振幅强，而非金属反射较弱。

3 实例分析

为增强地质雷达技术应用分析实践性，故选取某金属管道工程和非金属管道工程来分别探究地质雷达技术的应用要点。

3.1 广州市地下管线探查精度要求

地下管线探测是城市地下空间管理、城市整体规划建设的基础工作，目前，广州市地下管线普查采用综合解析法等内外一体化作业方式，实行动态、信息化管理模式。其中，地下管线探查精度如表1 所示。

表1 地下管线探查精度

3.2 金属管道实例分析

3.2.1 项目简述

项目为输水管廊和道路提升工程，全长6.3 km，已有资料现实某路口位置下方存在供水管，管径2400 mm，材质铸铁，在已知大致平面位置的前提下采用地质雷达技术精确其埋深和具体位置。

3.2.2 技术应用

根据现有资料，该管线埋深较大，地面雷达探测无法准确获取相关信息，因而采用空中雷达方法，运用孔内雷达通过单孔反射方式进行探测，一旦电磁波讯号遇到介电差异物质，其产生的反射波将被接收机有效接收，依托于双孔交会实现供水管埋深、位置的精准判断。每组钻孔以目标管线为基准按中心对称方式设计分布，钻孔部署如图1 所示。

图1 钻孔部署示意图

3.2.3 探测成果

以ZK1 和ZK2 为例，首先围绕ZK1 开展孔内雷达探测作业，发现存在异常反应，且距离地面深度8 m、距离钻孔水平1.5 m 左右，记录数据后开展ZK2 的孔内雷达探测工作，同样发现异常反应，距离地面深度8.2 m、距离钻孔水平1.4 m 左右。由于此项工程可以通过现有资料得到管线的大致平面位置，因而已有资料和探测资料的两相结合，基本可以确定此为目标管线。待完成各组钻孔的孔内雷达探测作业后，即可获得管线具体信息。

3.3 非金属管道实例分析

3.3.1 项目简述

工程项目为城市河流供水管道扩建项目，线路全长9 km，由于城市地下结构复杂，为不发生地下管线被破坏等事故，对供水管道两侧20 m 范围内的地下管线分布情况进行探测。

3.3.2 技术应用

目标区域地下管线丰富，存在给排水管道、部分工业管道、电力通信线等，其中，针对非金属材质的小管径供水管道和排水管线采用地质雷达技术开展探测作业，此外，现存的金属管道、电力通信线结合使用管线仪电磁感应法探测。本次工程选用专业管线探测雷达，内置双频双通，屏蔽天线250 MHz+700 MHz，定位系统由外接GPS 和内置测距轮组成，动态范围大于或等于160 dB，脉冲重复频率400 kHz，经典采样点数512 点/扫，一次扫描相当于完成浅部和深部管线的分布探测。

部署测线时，应把握技术的技术要点有：（1）选择平整场地，保证贴地探测质量，降低地面和天线间的耦合程度；（2）提前了解场地干扰因素，测线布置应尽量避开；（3）开展实际探测作业前，大致了解目标管线信息，主要是走向、平面位置，并使测线垂直于管线。

为保证探测结果质量，本次工程立足于现有资料采取垂直于管道走向的方式布设现场测线，共68 条，分为两个地点逐一开展雷达探测作业，落实滤波、时深转换等一系列处理工作得到断面雷达图像，分析其呈现的反射电磁波特征对地下管线位置、材质等信息进行判断。

3.3.3 探测成果

探测点1 的雷达探测图像如图2 所示。

图2 雷达探测图像（探测点1）

本次工程中，经过分析探测点1 的雷达图像发现，该区域管材为PVC 管，管顶埋深0.65 m 左右，管径250 mm。为验证探测结果，采取开挖验证方法，在实际测量后发现管顶埋深实为0.71 m，误差6 cm，地质雷达技术下的探测结果精度满足城市地下管线探测技术规程要求。探测点2 处的地下管线为水泥管，管顶埋深1.25 m，管径300 mm，采取同样验证方法发现，管顶埋深实为1.36 m，误差11 cm，精度符合要求。

4 总结与建议

作为广泛应用于在管道探测领域中的技术，地质雷达技术在地下金属管道和非金属管道的探测中均取得理想的应用效果，不仅不受环境限制，操作简单，还可以实时传输探测目标的剖面及现场情况。根据上述工程案例，无论是金属管道还是非金属管道，均通过地质雷达技术准确获得地下管线埋深、分布、管径等信息，这表明该物探技术应用于城市地下管线探测工程中是可行的，给出的数据结果、探测结果满足当地地下管线探测精度要求，能够很好地解决城市地下管线探测难题。但同时，也应做到以下建议：

1）作为一种有效探测城市地下管线的物探技术，总体来看具有探测效率高、适用场景多、操作简单、分辨率高等特点，在实际探测项目中，应充分发挥现有资料的作用，结合实际情况对地下金属、非金属管线进行探测，从而获得更为准确的管道数据。

2）为进一步提高地质雷达技术的地下管线探测精度，可以结合使用其他方法进行综合探测，如三维探地雷达技术、孔中雷达探测技术等，根据实际情况灵活调整技术方法，尤其是埋深较大（大于5 m）、周遭土壤介质较为湿润的地下管线，从而不断校正数据，优化探测结果。

3）工程实例成果表明，地质雷达更适用于埋深小、周围干扰因素少以及非金属材质的地下管线探测场景。开展实际探测作业时，应根据管线管径、种类采用差异化频率甜菜开展工作，以此高效探测地下异常体。外加现代城市地下管线分布多样、结构复杂，在道路层状界面、填土不均匀介质等干扰下，可以采取开挖验证，从而减少探测失误，提高技术精度。