浅析城市地下管线探测

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　　摘要：本文介绍了探地雷达的工作原理以及探地雷达在城市地下管线探查中的应用的成功实例。
　　关键词：探地雷达；管线；探测
　　
　　1 前言
　　 由于近年来非金属管线特别是塑料管线的大量应用，使用传统的金属管线仪已无法满足现有的管线探测需要，所以近年来国内引入了地质雷达这项新技术。利用雷达探测管线不仅能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等情况，为施工或管理提供可靠参数，更重要的是对非金属管线的探测提供了有力的技术支持。
　　
　　2 工作原理
　　 探地雷达方法是一项高分辨率及高工作效率的无损探测技术，在岩土工程中的应用亦日趋广泛。地质雷达（Ground Penetrating Radar，也称作探地雷达、透地雷达，简称GPR）通过发射天线向地下介质发送高频电磁波（1MHz-1000MHz），雷达波在介质中传播时，当遇到存在电性差异的介质或地下管线、空洞等目标体时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线所接收。在计算机对接收的雷达波进行分析和处理的基础上，根据所接收的雷达波波形、强度、电性及几何形态进行分析，从而达到对地下管线的定位和定深。
　　 设雷达波的反射系数为R，上、下介质的相对介电系数为ε1、ε2，则：
　　
　　 探地雷达通常以反射剖面法工作，地下管线异常在雷达计算机图像上的典型异常是双曲线同相轴，可据此判定管线位置和深度。在双曲线顶点，反射面的深度H公式如下：
　　
　　
　　其中：c为电磁波在空气中的速度（0.3m/ms）；v、t分别是电磁波在介质中的波速和双程走时。
　　
　　3 应用实例
　　3.1 长沙市地下管线现状
　　 长沙市是湖南省的省会，位于东经113°00′00″，北纬28°12′30″，是全省政治、经济、文化、教育、科技、交通、通信、金融的中心，随着改革开放的持续进行，城市建设日新月异，长沙的地下管网更是交错纵横。我市地下管网尽管经过已完成一九八九年―一九九三年的第一次普查测量，已完成管线测量长度近1000KM。
　　我市地下管网的品种分上水(自来水Z)、下水(排水W)、煤气(M)、电力(L)、电信(X)五种，部分厂矿企业内部还有热力、工业管道等，上述管线现分属市自来水公司、市政管理局;五区市政管理局;排水管理处;煤制气公司(燃气公司);市电信局;长铁通讯处;湘运公司;湘航公司;省军区通信处;电信七三分局;长沙长途线路通信局;长沙县电局;长沙电业局;长望电业局;市路灯管理处等单位管理或使用。
　　我市的地下管线资料现仍是产权所有制，历年来基本没有进行竣工测量，部分单位进行过“竣工测量”，也只是示意草图无坐标、无高程，有的连这种草图也没有，全靠“活地图”。这种现状给城市规划建设、管理带来诸多困难。首先是规划部门难以纸上谈兵(九三年测量过的地区已基本解决了这一问题)，由于缺少准确的地下管线资料，地下情况掌握不明，“活地图”的回忆存在很大的盲目性，规划部门心中无数(当然规划部门在制定规划前要进行现场踏查，但有些管线在踏查中还是无法知晓)，必然影响到规划设计的合理性，在市政工程及建(构)筑物的施工中，新管道与旧管道“撞车”事故及挖断水管、电缆事件时有发生。不得不边施工边修边设计。这样不但延误施工工期，影响人们的正常生活和政府公务，而且使国家财产蒙受损失，甚至造成人员伤亡。
　　 长沙市第一期地下管网测量尽管已完成了1000KM地下管线，但由于原有资料现在仍未进行计算机管理，且遗留问题及近年来新增的地下管网接踵而来，又由于非金属管线特别是塑料管线以及非开挖技术的大量应用，使用传统的调查测量方法已很难达到设计施工要求，所以管线探测的任务迫在眉睫，使得各个测绘部门不得不考虑地下管线探测技术，而使用传统的金属管线仪已无法满足现有的管线探测需要，所以近年来我市引入了地质雷达这项新技术。
　　3.2 探地雷达在非开挖管道中的应用
　　 2008年4月，受中国石化集团销售实业有限公司湖南成品油管道项目经理部的委托，我院承担了由长沙沙河收费站至长沙油库的石油管道测量，按照建设单位要求，重点测量区域为规划道路新港大道与规划道路湘捞路交汇处，该管道是用非开挖方法施工的，埋深大多在10米左右，材质虽然是钢管，但管径较小，一般的探测仪很难探测得到，而当时新港大道正处于施工阶段，新建一条大型下水箱涵，因该石油管道位置的不确定性，道路施工已没法继续进行下去，为此，我院通过认真策划，并联合中南大学个别地质专家和教授，采用PULSE EKKO地质雷达进行了探测，天线频率为50MHz，天线间距为1米，测点间距为0.25米。沿着石油管道的走向一共布置了5条剖面，每条剖面走向垂直于管线走向。在雷达探测的第一条剖面深6-8米，第二和第三条剖面深12-13米，第四和第五条剖面深4-5米，在该深度区域内，其反射波振幅呈双曲线形，明显强于周围介质的反射波的振幅，在无强烈干扰的情况下大部分图像清晰，探测效果良好，可以判断出此强反射体是石油管道。探测完之后，建设单位还组织了专门的施工人员进行了两处开挖验证，结果发现探测结果与实际开挖结果差别不大。
　　3.3 探地雷达在排水管沟中的应用
　　 在探地雷达探测排水管沟时，由于排水沟顶部是平面的，探地雷达探测断面的雷达图像不会显示出于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一致，即可确认两沟顶边的位置。
　　
　　4 提高探测精度的主要措施
　　 提高探测精度的主要措施有以下几个方面：
　　 (1)由于探测仪器本身存在的某种不足，物探前需要进行探测仪一致性对比试验，以确定该仪器的改正系数。
　　 (2)由于直埋管线的土质情况不同，对管线的探测精度有一定的影响，需要进行一定数量的开挖验证，或在能准确定深的位置进行探测验证，以确定是否需加埋深和平面位置的改正系数。根据同行多年的经验，细密的潮湿土质探测效果较好，干燥的砂质土层探测效果较差，积水区和含铁量较高的土层探测效果最差。
　　 (3)由于探测仪器探测效果受管道埋深的影响较大，尤其是应用感应法探测时，深埋管线能接收到的信号很弱，探测效果一般不太理想。此时需要不断改变探测方式，如改变发射机的摆放姿势。
　　 (4)由于管线的材质和导电性能不同，对管线的探测效果有直接影响。比如金属管道和电缆可用一般的管线探测仪即可以探测，但不适用于非金属管道。非金属管线一般可用地质雷达进行探测，但目前价格较为昂贵。
　　 (5)地下管线中经常遇到并行管线的情况。并行管线的探测方法：由手地下管线具有排列相对密集，种类各异的特点，所以探测这类管线的主要干扰是相邻管线的影响，在探测中有时只能判断出大致有几条管线，但无法准确和有效地确定其位置和埋深，此时应采用不同的方法来确定平行管线的平面和埋深。
　　 (6)地下管线中还会遇到管线上下重叠的情况。对于金属管道的重叠，当用电磁法探测时，由于重叠管线间的相互干扰，观测异常为上下管道的异常叠加，用电磁法可对其进行精确定位，而在定深上误差较大。但是重叠管线不可能总是重叠，一般可在分叉处分别定深，推算出重叠处的管道的深度。
　　
　　5 总结
　　 根据近年来的实践，我们认为探地雷达应用地下管线探测，特别是非金属管线的探测时可以取得理想效果的。因为它是一种无损探测，不会造成路面损坏，交通中断，只需做少量的开挖验证，且能够获得很好的社会效益，可见这一技术的应用前景是极其光明的。
　　
　　参考文献
　　[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京.地质出版社，1994
　　[2]黄水强，黄永进，李凤生等.磁梯度法探测非开挖金属管线的研究[J].工程地球物理学报，2005
　　[3]王秀明.应用地球方法原理[M].北京：石油工业出版社，2000
　　[4]赵永峰.反演法在平行地下管线探测中的应用[M].济南：山东煤炭科技，2006
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