RAMAC探地雷达在地下管线探测中的应用

RAMAC探地雷达在地下管线探测中的应用

冯新，周晶

大连理工大学土木水利学院，大连，116024

摘要：应用RAMAC系列探地雷达进行了地下管线探测的研究。基于对城市地下管线周围介质环境的分析，设计了探地雷达的工作参数，对不同类型的地下管线进行了探测，并就典型的管线异常特征进行了分析。关键词：探地雷达，地下管线，应用

1.引言

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称CPR）是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。地质雷达具有分辨率高、无损、操作简便、抗干扰能力强等特点，适用于各种环境条件。

只要地下管线目标与周围介质之间存在足够的物性差异就能被探地雷达发现。探地雷达的管线探测能力弥补了管线探测仪的探测缺陷, 因此在城市地下管线的探测中得到普遍应用。本文采用瑞典玛拉公司（MALA GEOSCIENCE）生产的RAMAC系列探地雷达，对大连市某场地的地下管线进行了探测，以确定地下管线的具体位置和走向。并且根据探测结果和实际开挖的对比研究，对典型的雷达测线平面异常特征进行了分析。

2.方法简介

城市地下管线铺设特点多为地面开槽和机械顶管等方式埋设, 一般埋深较浅, 在0.5m～ 5m 之间。管线周围介质为回填土、砂质土和粘土等, 管道上方铺有压实路面结构层, 如三合土、混凝土、沥青路面、方砖等,需探测的管道一般管径为0.1m～ 1.5m 之间, 管道内的介质为水、空气、可燃气体等, 管体材质为钢、铸铁、水泥、塑料等。

探地雷达应用的前提是，目标管线体与周围介质的介电常数和电磁波传播的波速存在明显差异。金属管线由于金属中电磁波波速为零, 不能传播, 电磁波在金属管道界面上几乎全部反射回来, 因此, 管线与周围介质存在明显的电磁性差异；非金属管线除管线本身材质与周围介质存在一定差异外, 更主要的是管道内介质如水、气体等与周围介质电磁性差异更大。这些性质通常能够满足探地雷达应用的前提条件。

对于管线探测,探地雷达的反射波组主要从两方面进行识别解释。第一, 反射波组的同相性形成同相轴是判别管线空间位置的重要标识, 在管线探测的横向剖面上, 管线作为孤立的埋设物, 其反射波的同相轴为: 当管线为圆形管道时, 为向下开口的抛物线呈伞形状; 当为沟道式或管块时, 同相轴为有限平板, 界面反射的中部为平板状, 两端各为半支下开口的抛物线。第二, 电磁波在介质中传播特性反映了地下界面上下介质的物性差异, 该差异越大, 反射波越强, 振幅越大; 上下介质中波速大小决定了反射波振幅方向, 当波从介电常数小波速大的介质进入到介电常数大、波速小的介质时, 反射系数为负, 即反射波振幅反向; 反之, 从波速小进入波速大的介质时反射系数为正, 反射波幅与入射波同向。地下目标管线一般存在四层介质界面, 即管线的内外各两层。以上层内界面为例, 非金属管线内上界面的反射波振幅较大, 当内介质为水时, 反射系数为负, 反射波为反向; 当内介质为气体时, 反射系数为正, 反射波为正向; 金属管线由于金属内波速近似为零, 反射波自然为反向, 而且反射振幅特别强, 同时反射信号以管线的外层界面为主, 其它

层面较弱。

图1 RAMAC 雷达主机和天线

3.探地雷达参数的确定

本次试验采用的探地雷达属瑞典玛拉公司（MALA GEOSCIENCE ）的RAMAC 系列（见图1）。天线的中心频率为（100∼1600）MHz ，时窗范围为0∼200ns ，雷达脉冲宽度为0.5∼10ns ，脉冲间隔为1×104∼5×104 ns ，脉冲幅值达100∼150V 。雷达配有4套天线，以适应不同介质的探测要求。

采用的天线频率以探测目标管线深度和空间分辨率所决定。天线频率f 按以下公式计算:

E x f 150

= （1）

其中，x 为空间分辨率（m ），E 为管线周围介质的相对介电常数估算。

城市管线普查中, 管线埋深集中分布区约为0.8m ～2.0m 之间, 探测管径在100mm 以上。由公式计算天线频率为400MHz 。如果考虑更小管径管线探测时, 可将天线频率增高为500MHz, 采用500MHz 天线, 虽分辨率有所提高, 但一般情况下对1.5m 深度以下的管线失去了探测能力;如果要提高探测深度, 采用250MHz 天线, 探测深度可达到3m 左右, 但对100mm 以下管线就有可能漏测。在本次探测中，综合考虑管线直径和探测深度，采用RAMAC 系列250MHz 频率的屏蔽天线，其分辨率约为150mm ，探测深度约为3m 。采样频率设置为天线频率的10倍左右，采样点数为500左右。

4.地下管线的探测结果

探测场地为矩形，场地下埋设有热力管线、排水管线、地下电缆和地下光缆。地下管线的探测沿两个方向进行雷达扫描，即东西向和南北向，通过两个方向的扫描，完整覆盖探测场地。根据雷达测线剖面图，标记出了可能的地下管线位置，本文仅给出两个较典型的雷达测线剖面图，并对结果进行分析。

图2 管沟的雷达异常特征

图3 下水管线的雷达异常特征

图2显示，在水平距为10m、纵向深度为2m处，有一明显的拱形异常，异常弧度较大，而且剖面附近有电缆和光缆井，据此可以判断为地下电缆、光缆管沟。图3显示，在水平距为9m、纵向深度为2m处，有一拱形异常，异常弧度较图2小，根据事后开挖可知，此异常处管线为下水管。

5.结论

应用RAMAC系列探地雷达进行地下管线探测的实践表明，该系列雷达能够成功用于城市地下管线的探测，具有探测准确、适用于各种类型管线探测的优点。但是，在实际探测中，应在同一场地选择代表性已知管线点做适当的方法试验, 并进行分析总结, 以试验总结结果来指导未知管线的探测。

参考文献：

[1] 北京鑫衡运公司，RAMAC/GPR地质雷达操作手册（3.0版本）

[2] 北京鑫衡运公司，瑞典探地雷达Ground Vision采集软件操作手册（1.3版本）

[3] 北京鑫衡运公司，Reflexw软件使用指南