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【摘要】随着城市现代化的发展，地下管线的密集度越来越大，在大量的城市地下施工过程中，地下管线的保护越来越显得重要，掌握施工地段地下管线的敷设又是确保地下管线和施工安全的前提，该文简要介绍了地质雷达的基本原理和数据处理方法，并结合工程实例，分析了地质雷达在探测地下管线分布中的作用。
【关键词】地质雷达；探测；地下管线
Application and Analysis of Ground Penetrating Radar in Underground Pipeline Detection
Li Hui-qi，Gao Tao
（Anyang City Architectural Design and Research InstituteAnyangHenan455000）
【Abstract】With the development of urban modernization， the underground pipeline is becoming more and more intensive. Underground underground pipeline protection is becoming more and more important during the construction of large number of urban underground. It is also important to ensure the underground pipeline and construction The paper introduces the basic principle and data processing method of GPR， and analyzes the function of GPR in the detection of underground pipeline distribution.
【Key words】Geological radar；Detection；Underground pipeline
近年来，随着城市现代化的发展，地下管线的密集度越来越大，在大量的城市地下施工过程中，它们的安全直接关系到经济建设、市民生活，同时，也影响到施工人员的人身安全。因此，如何在施工时，避免破坏这些地下管线就变得越来越重要。地质雷达作为一种高分辨探测技术，能够探明施工区段地下管线、线路的敷设情况，避免由于不明地下管线的分布而造成施工时挖断管线带来的损失，确保施工安全，近年来得到了普遍的应用。
1. 地质雷达探测原理
（1）地质雷达（GPR）的原理概括地说，它是通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析，查明介质结构、属性、几何形态及其空间分布特征。地质雷达由地面上的发射天线 T 将高频电磁波（主频为106～109Hz）以宽频带短脉冲形式送入地下，经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面，为另一接收天线 R 所接收，而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播，在更深的界面上继续反射和折射，直至电磁能量被地下介质全部吸收。
（2）地质雷达发射天线在介质表面向其内部发射频率为数百兆赫兹的高频电磁波，当电磁波遇到不同界面时会发生反射及透射，反射波返回介质表面，又被接收天线所接收（所用的天线为收发合一的屏蔽天线）。此时，雷达主机记录下电磁波从发射到接收的双程旅时△t，当电磁波在介质内传播的速度V已知时，可由D=Vo△t/2式求出反射面的深度即目标体的深度。
（3）由此可知，电磁波的反射系数取决于界面两边媒质的相对介电常数的差异，差异越大，反射系数也越大。
2. 仪器设备
本次检测使用的是美国劳雷公司生产的（GSSI） SIR-3000地质雷达，该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发电磁脉冲；接收部分由接收天线、高频放大电路和采样电路构成，接收的高频信号被放大后，采样电路变换为低频信号，送到信号处理电路；控制部分是由产生整体装置同步信号的基准同步信号发生器、控制采样电路的采样控制器、处理接收信号的信号处理电路、以及显示处理信号的输出显示部分组成的。采样数据经一定处理后，由输出显示设备输出探测结果。
3. 工程实例一
3.1工程概况。
本工程位于某市居民住宅区内，根据现场调研及资料的情况来看，目前两侧多为已拆迁后的居民住房，在原道路两侧已用砖墙围档；在群众路和交通路地下通道范围内均有一组军用光缆和电信长途通信光缆未拆迁。另外在本工程施工范围内地下管线错综复杂，有上水管、煤气管、电话电线、污水管、雨水管、电力电缆、照明、信号和有线电视等九大类地下管线，部分线路分布在施工开挖区内，施工期间必须切实做好管线的处理方案，确保各类管线的安全和正常使用，才能避免窝工，提高效率其工作顺利与否，直接影响到工程的施工进度。因此，探明施工区地下管线、线路的敷设情况是确保施工安全的重要前提。
3.2探测情况概述。
根据道路平面布置和管线埋深情况，分别在道路两侧的中心线上布置了两条主测线，在两侧人行道及原居民区部分别布置了20条测线。探测天线采用了100MHz、400 MHz 两种天线。其中在两条主测线上采用了 100 MHz 天线进行探测，时窗设置为200ns，探测深度为7m左右。在两侧人行道及原居民区布置采用 400 MHz 天线进行探测，时窗设置为50ns，探测深度为2m左右。根据地质情况，介电常数均采用经验值15。
3.3数据处理。
应用地质雷达方法在采集地下目标体的有效反射信息时，还会接收到各种规则的或随机的干扰信息，地质雷达数据处理的目的，就是为了压制这些干扰波，最大限度地突出有效波，以便提高雷达记录的信噪比和分辨率，提供和显示记录中包含的与地下目标体的位置、形态、结构和属性等有关的信息，为地质雷达资料解释服务，地质雷达数据资料处理流程图详见图2。 3.4资料分析。
根据地质雷达波的探测原理，当两个介质的介电常数相差较大时，雷达波会发生明显的反射、绕射等现象。选取2组典型的地质雷达波图形，当雷达波扫描至地下管线时，雷达波会产生明显的绕射现象。我们可以清楚地看出地质雷达波的反射现象，弧形的大小反映了反射物体的大小，由于地下管线较小，雷达波上呈小弧形反射，下水道呈弧形较大的空洞式反射。通过对时间及速度参数的计算更准确的得出管线的实际位置。这与施工单位提供的城市地下管道布置图相吻合。
4. 工程实例二
某市区地下管线补测工程中燃气管线大多数都为塑料管线，少数给水管线为塑料管线，所以在收集资料后，我们确定以探地雷达探测为主要手段进行探测。
4.1平行管线异常的判别。
（1）城市地下管线探测中，平行埋设的地下管线在实际探测中经常遇到。探地雷达采用剖面法探测，目标管线的异常只能通过对单个剖面的分析解释来确定。由于管线密集埋设，剖面记录除显示目标管线异常外，含有许多非目标管线异常及浅部不均匀干扰异常，有些异常形态和规模几乎与目标管线一样，且相互叠加，无法准确判别哪个目标管线异常，因此，探测解释前现场了解目标管线的大致位置和埋深及剖面记录范围内可能存在的其它管线的规格、材质、位置、埋深等情况，有助于排除非目标管线异常，准确判定目标管线异常。
（2）根据给水砼管探测记录剖面，图像显示在水平位置为0.89m、1.25m和2.22m有3处异常，埋深分别为0.73m、1.57m、0.83m。由已探测管线及现场调查分析可知，第1个异常和第3个异常为电信，中间异常即为目标管线给水。
4.2不均匀介质干扰异常解释。
城市道路路基及管道上覆回填土层中通常夹杂着许多块石、砖头等建筑垃圾，这些孤立的块石砖头与周围土质在电性特征上存在一定差异，在雷达剖面上形成复杂干扰异常，影响目标管线异常的识别。在外业探测过程中，可在测点附近改变测线位置多次施测比较；在异常解释时，应充分了解目标管线规格、材质、埋设情况及其反射波的异常形态、规模及波形特征，结合管道的连续性、干扰的随机性的特点，从众多干扰中，识别出连续出现、波形特征稳定的目标管线反射异常。在干扰严重路段可采用钎探或开挖验证。由于管线规格较干扰体大，因此异常形态规模也较干扰异常大，图2在1.8米埋深0.8米处有不规则反射弧，经判断应为地层起伏引起的干扰，图3在1.5米至3米处地下有杂质干扰，导致给水管左半边反射弧完全被屏蔽掉了。
4.3地表建筑物干扰的判断。
城市地下管线一般敷设在人行道至第一排建筑物前，雷达探测地下管道时，雷达波除了下地下传播外，还有部分雷达波传向空中，地下管线的雷达反射波与建筑物的雷达反射波同时被雷达接收机收到，异常都反映在雷达剖面图上，因此在判读雷达图像时首先要排除建筑物的干扰。建筑物干扰异常一般为强烈的斜线，长度较长，范围较大。
4.4排水管沟探地雷达异常判别。
（1）由于排水方沟顶部是平面的，探地雷达探测断面的雷达图像不会显示出与圆形管道相似的曲线形状，判断其平面位置和埋深难度较大。正确分析管沟雷达图像的突破口在于找准方沟的两个顶端沟边上，雷达图像上若有两个相似的、相互对称的坡度异常，且两异常之间距离与管沟宽度一致，即可确认两沟顶边的位置。管沟位于马路车行道下，规格为4000mm×2500mm，顶盖板为0.2m厚预制水泥板。探地雷达剖面图的上层异常，为正向连续同向轴板状体异常，正向同向轴对应内部空间顶界面，按波速v=0.09m/ns界面到地面厚度为1.2m，方沟宽度为4000mm。
（2）以上几种情况是我们在使用探地雷达探测管线常碰到的现象，为尽量避免这些情况给我们的探测带来错误，我们就需要在不同的地方多做些雷达断面，以及在情况允许的条件下适当开挖验证。
5. 结论
通过采用地质雷达对地下管线的探测，现场地下管线位置的记录得到了准确的反映，然而，更深入一步，如从中分析求证出管线的粗细、材质，以及其中的充填物和其他信息，则需要进行从施工参数的选取到后期数据的处理和解释等一系列的细微工作。由于地质雷达在应用过程中效率高、无损伤并能实时展示地下图像，适合在城市各种场合使用，因此，随着人们对地质雷达进一步研究，它必将成为城市管线探测的最有效工具。
参考文献
[1]袁明德. 探地雷达探测地下管线的能力[J]. 物探与化探， 2002，2（26）：152-155.
[2]李大心. 探地雷达方法与应用[M]. 北京：地质出版社， 1994.
【关键词】地质雷达；探测；地下管线
Application and Analysis of Ground Penetrating Radar in Underground Pipeline Detection
Li Hui-qi，Gao Tao
（Anyang City Architectural Design and Research InstituteAnyangHenan455000）
【Abstract】With the development of urban modernization， the underground pipeline is becoming more and more intensive. Underground underground pipeline protection is becoming more and more important during the construction of large number of urban underground. It is also important to ensure the underground pipeline and construction The paper introduces the basic principle and data processing method of GPR， and analyzes the function of GPR in the detection of underground pipeline distribution.
【Key words】Geological radar；Detection；Underground pipeline
近年来，随着城市现代化的发展，地下管线的密集度越来越大，在大量的城市地下施工过程中，它们的安全直接关系到经济建设、市民生活，同时，也影响到施工人员的人身安全。因此，如何在施工时，避免破坏这些地下管线就变得越来越重要。地质雷达作为一种高分辨探测技术，能够探明施工区段地下管线、线路的敷设情况，避免由于不明地下管线的分布而造成施工时挖断管线带来的损失，确保施工安全，近年来得到了普遍的应用。
1. 地质雷达探测原理
（1）地质雷达（GPR）的原理概括地说，它是通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析，查明介质结构、属性、几何形态及其空间分布特征。地质雷达由地面上的发射天线 T 将高频电磁波（主频为106～109Hz）以宽频带短脉冲形式送入地下，经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面，为另一接收天线 R 所接收，而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播，在更深的界面上继续反射和折射，直至电磁能量被地下介质全部吸收。
（2）地质雷达发射天线在介质表面向其内部发射频率为数百兆赫兹的高频电磁波，当电磁波遇到不同界面时会发生反射及透射，反射波返回介质表面，又被接收天线所接收（所用的天线为收发合一的屏蔽天线）。此时，雷达主机记录下电磁波从发射到接收的双程旅时△t，当电磁波在介质内传播的速度V已知时，可由D=Vo△t/2式求出反射面的深度即目标体的深度。
（3）由此可知，电磁波的反射系数取决于界面两边媒质的相对介电常数的差异，差异越大，反射系数也越大。
2. 仪器设备
本次检测使用的是美国劳雷公司生产的（GSSI） SIR-3000地质雷达，该地质雷达由发射、接收和控制三部分组成。发射部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发电磁脉冲；接收部分由接收天线、高频放大电路和采样电路构成，接收的高频信号被放大后，采样电路变换为低频信号，送到信号处理电路；控制部分是由产生整体装置同步信号的基准同步信号发生器、控制采样电路的采样控制器、处理接收信号的信号处理电路、以及显示处理信号的输出显示部分组成的。采样数据经一定处理后，由输出显示设备输出探测结果。
3. 工程实例一
3.1工程概况。
本工程位于某市居民住宅区内，根据现场调研及资料的情况来看，目前两侧多为已拆迁后的居民住房，在原道路两侧已用砖墙围档；在群众路和交通路地下通道范围内均有一组军用光缆和电信长途通信光缆未拆迁。另外在本工程施工范围内地下管线错综复杂，有上水管、煤气管、电话电线、污水管、雨水管、电力电缆、照明、信号和有线电视等九大类地下管线，部分线路分布在施工开挖区内，施工期间必须切实做好管线的处理方案，确保各类管线的安全和正常使用，才能避免窝工，提高效率其工作顺利与否，直接影响到工程的施工进度。因此，探明施工区地下管线、线路的敷设情况是确保施工安全的重要前提。
3.2探测情况概述。
根据道路平面布置和管线埋深情况，分别在道路两侧的中心线上布置了两条主测线，在两侧人行道及原居民区部分别布置了20条测线。探测天线采用了100MHz、400 MHz 两种天线。其中在两条主测线上采用了 100 MHz 天线进行探测，时窗设置为200ns，探测深度为7m左右。在两侧人行道及原居民区布置采用 400 MHz 天线进行探测，时窗设置为50ns，探测深度为2m左右。根据地质情况，介电常数均采用经验值15。
3.3数据处理。
应用地质雷达方法在采集地下目标体的有效反射信息时，还会接收到各种规则的或随机的干扰信息，地质雷达数据处理的目的，就是为了压制这些干扰波，最大限度地突出有效波，以便提高雷达记录的信噪比和分辨率，提供和显示记录中包含的与地下目标体的位置、形态、结构和属性等有关的信息，为地质雷达资料解释服务，地质雷达数据资料处理流程图详见图2。 3.4资料分析。
根据地质雷达波的探测原理，当两个介质的介电常数相差较大时，雷达波会发生明显的反射、绕射等现象。选取2组典型的地质雷达波图形，当雷达波扫描至地下管线时，雷达波会产生明显的绕射现象。我们可以清楚地看出地质雷达波的反射现象，弧形的大小反映了反射物体的大小，由于地下管线较小，雷达波上呈小弧形反射，下水道呈弧形较大的空洞式反射。通过对时间及速度参数的计算更准确的得出管线的实际位置。这与施工单位提供的城市地下管道布置图相吻合。
4. 工程实例二
某市区地下管线补测工程中燃气管线大多数都为塑料管线，少数给水管线为塑料管线，所以在收集资料后，我们确定以探地雷达探测为主要手段进行探测。
4.1平行管线异常的判别。
（1）城市地下管线探测中，平行埋设的地下管线在实际探测中经常遇到。探地雷达采用剖面法探测，目标管线的异常只能通过对单个剖面的分析解释来确定。由于管线密集埋设，剖面记录除显示目标管线异常外，含有许多非目标管线异常及浅部不均匀干扰异常，有些异常形态和规模几乎与目标管线一样，且相互叠加，无法准确判别哪个目标管线异常，因此，探测解释前现场了解目标管线的大致位置和埋深及剖面记录范围内可能存在的其它管线的规格、材质、位置、埋深等情况，有助于排除非目标管线异常，准确判定目标管线异常。
（2）根据给水砼管探测记录剖面，图像显示在水平位置为0.89m、1.25m和2.22m有3处异常，埋深分别为0.73m、1.57m、0.83m。由已探测管线及现场调查分析可知，第1个异常和第3个异常为电信，中间异常即为目标管线给水。
4.2不均匀介质干扰异常解释。
城市道路路基及管道上覆回填土层中通常夹杂着许多块石、砖头等建筑垃圾，这些孤立的块石砖头与周围土质在电性特征上存在一定差异，在雷达剖面上形成复杂干扰异常，影响目标管线异常的识别。在外业探测过程中，可在测点附近改变测线位置多次施测比较；在异常解释时，应充分了解目标管线规格、材质、埋设情况及其反射波的异常形态、规模及波形特征，结合管道的连续性、干扰的随机性的特点，从众多干扰中，识别出连续出现、波形特征稳定的目标管线反射异常。在干扰严重路段可采用钎探或开挖验证。由于管线规格较干扰体大，因此异常形态规模也较干扰异常大，图2在1.8米埋深0.8米处有不规则反射弧，经判断应为地层起伏引起的干扰，图3在1.5米至3米处地下有杂质干扰，导致给水管左半边反射弧完全被屏蔽掉了。
4.3地表建筑物干扰的判断。
城市地下管线一般敷设在人行道至第一排建筑物前，雷达探测地下管道时，雷达波除了下地下传播外，还有部分雷达波传向空中，地下管线的雷达反射波与建筑物的雷达反射波同时被雷达接收机收到，异常都反映在雷达剖面图上，因此在判读雷达图像时首先要排除建筑物的干扰。建筑物干扰异常一般为强烈的斜线，长度较长，范围较大。
4.4排水管沟探地雷达异常判别。
（1）由于排水方沟顶部是平面的，探地雷达探测断面的雷达图像不会显示出与圆形管道相似的曲线形状，判断其平面位置和埋深难度较大。正确分析管沟雷达图像的突破口在于找准方沟的两个顶端沟边上，雷达图像上若有两个相似的、相互对称的坡度异常，且两异常之间距离与管沟宽度一致，即可确认两沟顶边的位置。管沟位于马路车行道下，规格为4000mm×2500mm，顶盖板为0.2m厚预制水泥板。探地雷达剖面图的上层异常，为正向连续同向轴板状体异常，正向同向轴对应内部空间顶界面，按波速v=0.09m/ns界面到地面厚度为1.2m，方沟宽度为4000mm。
（2）以上几种情况是我们在使用探地雷达探测管线常碰到的现象，为尽量避免这些情况给我们的探测带来错误，我们就需要在不同的地方多做些雷达断面，以及在情况允许的条件下适当开挖验证。
5. 结论
通过采用地质雷达对地下管线的探测，现场地下管线位置的记录得到了准确的反映，然而，更深入一步，如从中分析求证出管线的粗细、材质，以及其中的充填物和其他信息，则需要进行从施工参数的选取到后期数据的处理和解释等一系列的细微工作。由于地质雷达在应用过程中效率高、无损伤并能实时展示地下图像，适合在城市各种场合使用，因此，随着人们对地质雷达进一步研究，它必将成为城市管线探测的最有效工具。
参考文献
[1]袁明德. 探地雷达探测地下管线的能力[J]. 物探与化探， 2002，2（26）：152-155.
[2]李大心. 探地雷达方法与应用[M]. 北京：地质出版社， 1994.