探地雷达在地下管线探测工程中的应用

尹燕京，李冬冬，骆旭佳，陈传辉，李红林

（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

近年来，城市地铁、公路隧道等地下工程迅猛发展，也带来了城市地下空间开发的安全性问题。城市地下管线错综复杂，与地下工程施工安全息息相关，部分管线由于其年代久远、埋深大、非金属材质及小管径等，难以探测，导致施工破坏地下管线的事故时有发生，给人民生命财产造成了损失。

探地雷达，又名地质雷达（简称“GPR”），是一种利用广谱电磁技术探测地下介质分布的物探设备，在地质勘察、地下管线探测和工程检测中广泛应用，具有探测精度高、操作便捷等特点。

相对于其他地球物理探测方法，探地雷达用于探测地下管线具有以下几点优势：

（1）无损探测，不必开挖揭露或钻探，可在地面直接探测地下埋设的管线。

（2）探测效率高，其天线可以通过手提或推车方式开展外业探测，操作便捷，工效高。

（3）使用屏蔽天线，抗干扰能力较强，且不受交通、机械等震动影响。

（4）分辨率较高，相对于电法、磁法、地震波等其他物探方法，探测分辨率较高，探测成果直观。

1 探地雷达基本工作原理

电磁波在介质中的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率σ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的探测深度，后者主要决定电磁波在介质中的传播速度。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此在不同电性的地质体的分界面都会产生反射电磁波。探地雷达通过向地下发射高频电磁波，电磁波在地下传播过程中，遇到存在电性差异的不同介质界面会发生反射，其走时、振幅、波形会发生相应变化，接收机接收反射信号，由雷达主机精确记录下反射电磁波的运动特征，再通过信号技术处理形成反射电磁法图像，进而分析地下目标体的位置和规模。探地雷达原理如图1所示。

图1 探地雷达工作原理示意图Fig.1 Working principles of GPR

电磁波在地下传播时，其走时由式（1）确定：

式中：t为电磁波脉冲旅行时间；z为目标体深度；x为发射天线与接收天线距离；v为电磁波速度。

电磁波速度v受介质的相对介电常数和相对磁导率影响，其波速公式为：

式中：c为真空中电磁波波速（0.299 79 m/ns）；μr为介质的相对磁导率（一般μr≈1）；εr为介质的相对介电常数。常见介质的相对介电常数εr见表1。

表1 常见介质的相对介电常数Table 1 εr value of common medium

2 探测地下管线关键技术分析

2.1 分辨率

分辨率指识别两个或两个以上目标体的能力。探地雷达分辨率分为纵向分辨率和横向分辨率。

探地雷达纵向分辨率取电磁波波长的1/4，电磁波波长按式（3）计算：

式中：λ为电磁波波长（m）；f为雷达天线主频（MHz）。

探地雷达横向分辨率宜按式（4）计算：

式中：x'为雷达横向分辨率（m）；h为深度（m）。

由以上公式可知，探地雷达的横向或纵向分辨率都与探地雷达的主频有关，主频越高，分辨率越高，探测精度越好。同时还应满足探测深度要求，一般主频越高，有效探测深度越小。探地雷达用于城市地下管线探测时，宜选择频率为80～500 MHz的屏蔽天线。在满足探测深度要求的情况下，宜选择频率较高的天线。

2.2 时窗和增益

时窗大小直接决定了雷达图像所展现的探测深度范围，为确保探测目标体回波的有效性，应合理设置时窗。时窗可按式（5）估算：

式中：T为记录时窗（ns）；K为加权系数，一般取1.3；D为最大探测深度（m）。

管线普查时，雷达天线通常会高低频搭配探测，时窗应覆盖最大目标探测深度；在管线精探时，侧重于目标管线的定位和定深，时窗设置应最大限度地考虑对目标管线的有效探测。

增益是对信号放大性能的参量，雷达增益设置应通过现场试验确定。一般增益设置宜使信号的幅值不超过信号监视窗口的3/4，现场采集时可通过多次叠加的方式提高信噪比。

2.3 测线布置

合理的测线布置是保证良好探测效果的前提，测线布置时要特别注意以下几点：

（1）测线应尽量布置在场地平整的位置。在进行贴地探测时，场地越平整，天线与地面的耦合程度越好，直达波的干扰会越小。

（2）测线布置前，应尽可能了解地下及周边干扰源的分布情况，测线应尽可能避开这些干扰。

（3）探测前，应大致掌握其地下管线平面位置及走向，测线方向应与管线垂直。

3 工程实例

3.1 斐济Rewa河供水项目地下管线探测

3.1.1 工程概况

受斐济水务局委托，承担斐济Rewa 河供水管道扩建项目，线路全长约9 km。为确保供水管道施工时不发生破坏地下管线的事故，需查明设计供水管道两侧各20 m范围内的地下管线分布情况。

图2 探测范围图Fig.2 Detection area

3.1.2 探测对象

测区范围内存在排水管线、给水管线、电力通讯线及部分工业管道。其中电力通讯线及其他金属管道采用管线仪电磁感应法探测，但对于小管径的非金属材质的供水管或排水渠，采用探地雷达方法进行探测。

3.1.3 仪器设备

本次探测采用意大利Detector DUO 双频双通型专业管线探测雷达，其主要技术参数见表2。

表2 Detector DUO 型地质雷达主要参数Table 2 Main parameters of Detector DUO GPR

该雷达具有自动记录管线或其他目标体位置的功能，可兼容GPS 定位，探测结果可快速输出到CAD 中。本次探测采用250 MHz+700 MHz 双频天线，一次扫描即可得到深部和浅部管线的分布情况，实现了探测深度和精度的互补。

3.1.4 探测成果

现场测线垂直于管道走向布设，共布设68 条测线，部分测线见图3。

图3 雷达测线布置图Fig.3 Layout of GPR survey lines

依次沿测线进行雷达探测，并经滤波、褶积、时深转换等处理形成断面雷达图像，然后依据断面雷达图像的反射电磁波特征识别地下管线并分析管线的材质、位置和规模。部分地下管线探测雷达图像及分析如下。

3.1.4.1 探测地点：Princess Rd

根据雷达图像分析（见图4），管材为PVC 管，管径250 mm，管顶埋深0.65 m。经开挖验证（见图5），开挖后实际量测管顶埋深为0.71 m，探测误差为6 cm，精度满足CJJ 61-2017《城市地下管线探测技术规程》要求。

图4 Princess Rd雷达探测图像Fig.4 Result from GPR survey of Princess Rd

图5 14号探坑示意图Fig.5 Trial pit No.14

3.1.4.2 探测地点：Sawany Rd

根据雷达图像分析（见图6），管材为水泥管，管径300 mm，管顶埋深1.25 m。经开挖验证（见图7），开挖后实际量测管顶埋深为1.36 m，探测误差为11 cm，精度满足CJJ 61-2017《城市地下管线探测技术规程》要求。

图6 雷达探测成果图Fig.6 Result from GPR survey of Sawany Rd

图7 13号探坑示意图Fig.7 Trial pit No.13

3.2 杭州之江路供水管道孔中雷达探测

3.2.1 工程概况

杭州之江路输水管廊及道路提升工程范围西起之浦路以西，东至复兴路，全长约6.3 km。在之江路与之浦路路口位置，对已有资料中一根管径2 400 mm、材质为铸铁的供水管（已知其大致平面位置）进行探测验证，进一步明确其埋深和准确平面位置，探测管线大致范围见图8。

图8 探测范围图Fig.8 Detection area

经实地踏勘和现状分析，由于管线埋深较大，在地面探测无法满足精度要求，因此采用孔中雷达方法进行探测。本次孔中雷达探测采用美国GSSI公司生产的配备有孔中天线的SIR系列孔内雷达，采用单孔反射方式，即发射天线和接收天线在同一个钻孔中以固定间距沿钻孔自上而下移动。发射的电磁波信号向钻孔周围介质传播，当遇到有介电差异物质时，其反射波被接收机接收，通过双孔交会方式确定地下管线的位置和埋深。典型钻孔布置见图9。

图9 钻孔布设图Fig.9 Layout of boreholes

3.2.2 探测成果

每组钻孔（ZK1 与ZK2、ZK3 与ZK4、ZK5 与ZK6）在平面上以目标管线为中心对称分布。由于管线平面位置大致已知，以ZK1 和ZK2 为例，首先在ZK1处进行孔内雷达探测，发现距钻孔水平距离1.5 m、距地面深度8 m 左右存在异常反应；随后在ZK2 位置进行探测，发现距钻孔水平距离1.4 m、距地面深度8.2 m左右存在异常，结合已有资料，基本可以判断为目标管线（ZK1、ZK2钻孔雷达图像见图10和图11）。

图10 ZK1钻孔雷达图像Fig.10 Result from GPR survey in borehole ZK1

图11 ZK2钻孔雷达图像Fig.11 Result from GPR survey in borehole ZK2

以上探测成果表明，采用孔中雷达方法探测大埋深地下金属管线效果也非常明显。

4 结论及展望

探地雷达是一种有效的探测地下管线的地球物理方法，相对于其他方法，其具有探测效率高、操作便捷、适应性强、分辨率高等特点，是目前探测非金属管线的主要手段。通过两个工程实例分析了探地雷达在地下管线探测工程中的应用，工程应用结果表明探地雷达用于探测地下金属或非金属管线效果明显。对于埋深较大的管线（一般5 m 以上）或埋设于湿润土壤介质中的管线，探地雷达探测效果不太理想，应结合其他方法进行综合探测。近年来，三维探地雷达在工程中的应用优势已崭露头角，有望在地下管线、病害体探测工程中得到广泛的应用。