探地雷达在非金属管线探测中的应用

探地雷达在非金属管线探测中的应用
钱荣毅1，王正成1 ，孔祥春2，纪勇鹏2
(1、中国地质大学（北京）, 北京 100083；2、北京鑫衡运科贸有限责任公司 北京 100029)
Application of Ground Penetrating Radar
for Detecting Nonmetal Pipeline
QIAN Rong-yi 1,WANG Zheng-cheng 1,KONG Xiang-chun 2, JI Yong-peng 2
摘 要：随着国民经济的迅猛发展，PE 、PVC 、混凝土等非金属管线在市政建设中越来越多的得到应用。

而非金属管线的探测也逐渐成为管线管理部门和工程单位的一大难题。

本文结合瑞典
RAMAC/GPR 探地雷达在非金属管线探测中的应用，浅谈一下非金属管线探测的体会和技巧。

关键字：探地雷达、PE 、PVC 、混凝土管
1、前言：
90年代初国内开始引进和研制探地雷达，由于该仪器轻便，工作效率高和无破坏性等特点，探地雷达在工程探测领域的应用日益广泛，其应用领域涉及市政、公路、铁路、考古、隧道等。

在城市地下管线普查中，与其它探测设备相比，探地雷达不仅能够探测金属管线，而且成为PE 、PVC 、混凝土等非金属管线探查的主要手段。

2、工作原理：
探地雷达（Ground Penetrating Radar,简称GPR ）是利用超高频短脉冲电磁波在介质中传播时其路径、电磁场强度与波形随通过介质的电性质和几何形态的不同而变化的特点，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料来判断管线的深度、位置和估算管线直径等。

当管线方向已知时，测线应垂直管线长轴。

如图1所示，探地雷达系统会自动把不同水平位置采集到的电磁波信号（每一信号亦称之为一道）从时间域转换成空间域，不同水平位置采集的道信号组合起来，最终得到雷达剖面图上的波形反应，其典型特征为黑、白相间的抛物线。

雷达剖面图上抛物线顶点横向坐标值是管线中心轴线距测量起始点的水平距离，抛物线顶点竖向坐标值为管线上表面距测量表面的深度值。

图1、雷达剖面成图示意图 3、探测前提：
在探测区域内，地下非金属管线与周围介质之间存在足够的电性差异，是探测工作行之有效的重要前提。

影响雷达探测效果的主要物性参数是介电常数和电导率。

城市非金属管线大部分埋设在道路两侧，埋深一般不超过三米，其路面材料一般为混凝土或沥青。

路面以下的介质多为杂填土和沙质土，其含水量差别很大。

各种介质的介电常数如表1-1所示。

数据采集 地下管线 天线 测线 雷达剖面图
抛物线
对非金属管线而言，外表面与内表面均为反射界面。

由公式
可计算界面的反射系数R ，反射系数R 的正负决定着非金属管线反射相位的正负。

在非金属管管壁厚度不大的情况下（一般小于0.1m ），内外界面的反射波相互叠加，反射波波形因天线频率、管壁厚度和周围介质的介电常数等因素的不同而有很大的差别。

非金属管线与周围介质的介电常数差异的存在，是探地雷达应用于非金属管线探测的物性前提。

对探地雷达探测效果影响较大的另一个物性参数是电导率。

在探地雷达的工作频率范围内，介质的吸
收系数β同电导率σ成正比。

即 介质电导率σ在不同地段和不同季节差别往往很大，吸收系数β决定了电磁波场强在介质传播过程中的衰减速度。

如果以s=1/β定义透深度，则当εγ=14,σ=0.002(ρ=500Ωm)时穿透深度约为10m ，而当σ=0.02 (ρ=50Ωm)时，穿透深度仅为1m 。

因此当介质电阻率很小时，反射波在其反射路径上的衰减很大，接收天线所接收的非金属管线反射波信号就会很弱，甚至接收不到。

在非金属管线探测中，有时雷达剖面图在管线埋设部位看不到管线的波形反应，就是这个原因引起的。

4、探测方法：
对某一测量区域内的地下管线进行“盲探”时，首先应在现场确定好坐标，坐标原点最好选在永久性标识点上，以备日后复查校验。

测线最好布置成网格状，如图2所示，测线间距应视测量场地大小和测量精度的要求而定，一般可选为天线宽度的一倍至两倍，这样能够准确探测到横向和竖向的管线而不至于有所遗漏。

我们在雷达剖面图上看到的抛物线是与测线相垂直的管线的波形反应，如果在几条平行测线的雷达剖面图上，在相近的位置和深度都能发现或绝大多数有类似波形反应，一般就可以判定是一条连续的管线。

之所以要采取网格状或几个不同位置的平行雷达剖面图来判读管线，这是因为有些测量区域的地下介质电性差异变化很大，有时将雷达剖面图位置稍微移动，雷达波形就会有很大的变化；另外，地下情况非常复杂，我们不能只从一个雷达剖面图上的波形反应就能得出是否是一条连续的管线，因为地下的混凝土块、箱形物体等都会出现与管线类似的反应。

5、管线深度和水平位置的确定：
管线的深度可从雷达剖面图上直接读取，探地雷达系统自动把时间域转换成空间域，其原理是根据公式D=V ∙∆t/2=C ∙∆t/2r ξ求得。

其中C 为电磁波在空气中的介电常数，∆t 为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间，ξ r 为介质的相对介电常数值。

电磁波在不同介质中的传播速度是不一样的，在确定管线深度之前，最好在测量区域内找一条已知管线进行传播速度测试。

波速值的求法是根据电磁波在介质中的双程走时时间不变的原理求得的，即 D 1/Vx=D 2/V 2=△t,其中，D 1 为管线的实际埋深，Vx 为我们需要求的雷达波速值，D 2为从雷达图上读出的管线深度值，V 2为在测量前事先假设的雷达波速
管线的水平位置可由测量轮精确测得，而且探地雷达具有现场回拉定位功能，当屏幕上显示出管线波γ
εσβ188
=2
121εεεε+-=R
形时（天线拖动方向与管线方向垂直时，典型波形反应为抛物线），可将天线回拉，屏幕上将出现一个光标，随着天线的回拉，光标在雷达剖面图上移动，当光标移到抛物线顶点时，天线的中心位置对应的就是该管线轴心的平面位置。

6、估算管线直径：
一般来讲，探地雷达很难精确得出管线直径，操作者只能根据探地雷达使用经验并结合管线方面的专业知识估算其直径，其结果往往不能满足工程精度的要求。

瑞典RAMAC/GPR 探地雷达的后处理软件REFLEXW 提供了一种通过拟合抛物线大小的方法来判读管线直径的方法，我们在管线半径的窗口内输入半径值，不同半径值对应不同形状的抛物线，当输入某一数值后，拟合抛物线与雷达剖面图上管线的抛物线完全吻合，则该数值就是所要探测管线的半径，这种方法为我们解决管线直径的探测问题提供了一种有效可行的思路。

7、工程实例：
图2、测线布置示意图 图3、雷达剖面图
图3是用250MHz 天线探测得到的一张雷达剖面图，①是一根金属管线，②是一根非金属管线。

一般来讲，我们很难直接从雷达剖面图上判别探测目标是金属管线还是非金属管线，但是，因为金属管线的反射信号较强，探地雷达从较远的位置就能接收到其反射信号，所以金属管线的抛物线两叶相对非金属管线的两叶要长一些，也就是说，非金属管线的抛物线两叶要短小一些。

从原理上说，这么判断非金属管线是没错的，但实际情况千差万别，非常复杂，探测时往往需要根据场地的实际情况并结合管线布置方面的专业知识加以综合判断。

如果采取开挖回填的施工方法铺设管线，那么回填土部分也会对探地雷达的探测效果产生负面影响，有的甚至接收不到管线的反射信号。

图3中③处方框内的雷达波形明显异于它两侧的波形，经核实，这是埋设管线②时对路面进行开挖回填土所造成的。

总的说来，开挖回填这种情况往往只能判断出开挖过的位置，不能准确判读管线的深度位置。

图4、雷达原始数据 图5、处理后的雷达数据
图4
和图5是用500MHz 频率的天线在福州市某居民小区内探测非金属管线的雷达剖面图，图4是未加任何滤波的原始雷达数据，从图上可以看出两处明显的波形反应。

图5是加上一些滤波之后的同一处雷① ② ① ②
① ② ③ y
达数据，经过处理后，使管线的波形反应更加明显。

在图4的雷达原始数据中，①处给人的感觉是有两个距离很近的抛物线，容易判读为两个距离很近的平行管线或开挖管沟的两个沟沿反射造成的波形反应；但从图5滤波后的雷达数据来看，发现两个抛物线的中间部分波形反应比两侧强烈，这是上述两种情况不该有的波形异常，遂排除了上面两种可能，经验证，该管线实际是PVC管线内嵌套了一根金属管线。

②处是一根PE管，从原始数据和处理后的雷达剖面图上都可以明显看到它的波形反应，埋深在1.2米处。

8、后记：
探地雷达探测非金属管线具有快速、高效、非破坏性等特点，是PVC、PE、混凝土等非金属管线探查的首选工具。

但其探测效果往往受探测场地和地质条件的制约而并不理想，除了采用正确的探测方法外，如能与其它管线探测设备配合使用并结合管线方面的知识加以综合判断，会取得更好的探测效果。

参考文献：
1 《探地雷达方法与应用》，李大心，地质出版社
2 《应用地球物理方法原理》，王秀明，石油工业出版社。