杨 剑,李 华,焦彦杰

(成都地质矿产研究所,四川成都 610081)

探地雷达在城市地下管线探测中的应用

杨 剑,李 华,焦彦杰

(成都地质矿产研究所,四川成都 610081)

应用RAMAC系列探地雷达进行了城市天桥地下管线探测的应用研究。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,对即将开挖的桩位进行地下管线探测,得出了很好的结论,为后续工程钻孔定位具有指导意义。

探地雷达;地下管线;探测

0 前言

探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR),是采用无线电波检测地下介质分布,以及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。

探地雷达具有分辨率高、无损、操作简便、抗干扰能力强等特点,从数据采集到图像处理实现了一体化。可实时输出现场剖面记录图等优势,适用于各种环境条件,在各种地球物理方法中脱颖而出,很快成为岩土工程勘探和监测的主要手段,并广泛应用于公路、铁路质量检测,城市地下管线探测,隧道检测,堤坝、库岸等水利水电工程探测,考古探测,环境检测等领域。

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。作者在本文采用瑞典玛拉公司(MALAGEOSC IENCE)生产的RAMAC系列探地雷达(见图1),对成都市的某人行天桥地下管线进行了探测,查明每座桥各桩位点处地下1m～6m深度范围内是否存在各种城市地下管线,为人行天桥的桩位开挖施工服务,以确定地下管线的具体位置和走向。

图1 RAMAC雷达主机和天线Fig.1 Host radar and antenna of RAMAC GPR

1 探测方法及原理

探地雷达是基于不同介质的电性差异,利用高频电磁波,探测隐蔽介质分布和目标体的一种高新地球物理方法。当发射天线T以宽频带、短脉冲方式向地下发射电磁波时,遇到具有不同介电特性的介质时(如管线、空洞、分界面),就会有部份电磁波能量反射(回波),接收天线接收到反射回波并记录反射时间,原理如图2所示。

图2 探地雷达工作原理Fig.2 GPR working p rincip le

对于反射波,我们可以用下面的反射波旅行时间计算公式进行计算。

由上所述,雷达反射波的旅行时间,会随被测介质的厚度而变化。于是,把发射与接收天线在被测介质表面同步移动,便可将反射界面的反射波,依次排列成二维雷达图像,根据雷达图像,我们就可以判读出探测目标体的状况。

2 雷达探测管线可行性试验

为了对比地质雷达在探测管线、空洞、钢筋等不同目标体的探测效果,武汉大学的专家们在混凝土样块中做了对比试验(见图3)。异常从左到右依次为:裂缝、空洞、空洞、钢筋、钢筋、金属管、塑料管。从所测的雷达成果图来看,钢筋和金属管线的异常反射比塑料管的要强很多。如果不存在对比的情况下,要区别是金属管还是塑料管或是圆形空洞还是有一定的难度。但是,能探测出管线或是其它异常体,已经能满足本次的探测工作要求。

3 探地雷达参数的确定

本次探测工作采用瑞典MALA公司的地质雷达设备,仪器的相关技术指标和探测深度如下:3.1 技术指标

(1)脉冲重复频率:100、200、330、…kHz(最高可达1 000 kHz)。

(2)数据位数:16。

(3)样点数/道:128-2048任选(可根据用户需要增加)。

(4)迭加次数:1-32768及自动迭加。

(5)采样频率:0.2->100 GHz。

图3 探地雷达试验探测结果Fig.3 The test resu ltsof the GPR detection

(6)分辨率:5 ps。

(7)数据通讯:以太网。

(8)通讯速度:100M bit/s。

(9)数据采集速度:可达800道/s(当脉冲重复频率为100 kHz时)。

(10)采样模式:距离/时间/手动。

(11)供电:12 V锂电池或外接12 V电池,主机0.9 A。

(12)工作时间:连续工作5 h以上。

(13)天线兼容性:可兼容MALA公司的所有天线。

(14)工作温度:-20℃～+50℃。

(15)尺寸(cm):32.5×22.2×4.2(16)重量:1.9 kg

3.2 不同天线的探测深度和分辨率

表1为不同天线的探测深度和分辩率。

作者在本文例举了人行天桥的城市地下管线探测工作,其目的在于:查明在天桥各桩位点处地下1m～6m深度范围内,是否存在各种城市地下管线,为人行天桥的桩位开挖施工服务。

表1 不同天线频率的探测深度和分辨率Tab.1 The dep th and reso lution of d ifferen t an tenna frequency

由于每个桩位的开挖直径大小约为1.5m左右,为了更好地控制地下的探测范围,在条件允许的情况下,在每个桩位处都布置二条长3m以上的垂直雷达测线。城市地下管线的埋深范围,一般都在1m～6m以内,依据表1,选择250MHz的天线就可满足探测要求。

图4 天桥大致桩位编号Fig.4 Rough ly num bersofB ridge p ile location

4 地下管线探测结果

图5 1号、2号、3号桩位的一条测线和2号桩的另一条垂直测线Fig.5 A m easuring line of 1,2,3 p iles and ano ther line of 2 p iles

从图5的雷达扫描图上看,1号、3号桩位与桩身擦边处0.5m埋深的地方,存在明显的拱形异常,推断为管线。另外,在三号桩右侧2.5m处,埋深1.2m的地方也存在一明显拱形异常,推断为给水管。

2号桩的一条雷达测线上有明显的异常发射面,另一条垂直的雷达测线上存在明显的拱形异常,推断为金属管线。

从图6(见下页)的雷达扫描图上看:4号桩位无明显的异常反应;5号桩与桩身擦边处有一处较明显异常,推断是路边的干扰引起;6号桩与桩身擦边处有一处拱形异常,推断为管线。

图6 6号、5号、4号桩位的一条测线Fig.6 A m easuring line of 6,5,4 p ile

图7 降水井雷达扫描图Fig.7 The radar scan of dewateringwell

降水井:作者对图4降水井的位置布置了三条测线,其探测结果如图7所示。三条测线放在一个文件中,从图7中可以看出,前二条测线在1.0 m～1.3m范围内都存在明显反射层,但不是管线。第三条测线从雷达扫描图上看,存在一个明显的拱形异常,推断为管线,所以建议将打井位置选在图4降水井设想位置的上方。

5 结语

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,对后期工程钻孔定位有指导意义。

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1001—1749(2010)06—0669—05

中国地质调查局水[2101(矿评01-07-31)]

2010-05-17 改回日期:2010-09-27

杨剑(1983-),男,硕士,成都地质矿产研究所,主要从事工程、矿产地球物理勘探。