地质雷达在城市改建场地地下管线详查中的应用

地质雷达在城市改建场地地下管线详查中的应用

勘察、测绘与测试技术

建材与装饰２００８年１月下旬刊

地质雷达在城市改建场地地下管线详查中的应用

何辉

莫伟生

查、漏探城市改建场地地下管线中发挥不可替代的作用。

１前言

城市改建场地地下管线主要是指城市拟建或在建施工区域内的地下管线，按种类可分为给水、雨水、污水、燃气、电力、电信、工业等，按管材可分为金属管、非金属管，按管径可分为大管径、小管径，按用途可分为市政管、用户管，按压力又可分为高压管、低压管……。城市改建场地地下管线常具有范围小、出露点少、管线复杂、地貌破坏严重及干扰因素多等特点。而任务要求多为查清场地内所有地下管线，以避免施工破坏。在实际工作中，由于受场地及探测方法、手段的限制，如何避免漏查、漏探场地地下管线是解决问题的关键。我们知道，常规用的管线探测仪是利用激发电磁场进行工作的，探测时通过连接导线、耦合线圈或发射机的激发线圈把交频电磁信号加载到地下金属管线上，并使之沿金属管线传播，在金属管线周围产生电磁场从而被仪器的接收装置接收，由于传播信号随传播距离增加而衰减，故追踪距离不可能太远。而且这种方法仅对金属管线、电缆或带金属丝的光缆行之有效，而对非金属的塑胶、混凝土等管道就无能为力了。地质雷达作为一种新兴的地球物理探测仪器，是利用电磁波反射技术进行探测的，不受管道材质、有无露头的限制，只要目标体与周围介质存在一定的电性差异，就可通过反射波形分辨出目标体，同时通过剖面扫描法又可排查遗漏的管线，从而作为一种管线探测的补充手段，在避免漏

２地质雷达工作原理

地质雷达是利用高频电磁波（几兆～上千兆赫兹）由地面通过发射天线送入地下，经地下目的体反射后返回地面，为接收天

线接收，传入雷达主机，经放大和数字化后，以二维雷达波形图像的形式存储于电脑。设脉冲波行程需时为Ｔ，则有：

Ｔ＝（４ｈ２＋ｘ２）１／２／ｖ

式中：可见当地下介ｈ为深度，ｘ为天线距离，ｖ为电磁波速，质中的波速ｖ为已知时，可根据实际测到的精确Ｔ值，由上式求

１／２出反射体的深度ｈ。也可根据ｖ≈ｃ／ε近ｖ可用宽角法直接测量，

似算出。

根据电磁波理论，雷达的垂向分辨率约等于电磁波长的一半，亦即当目标体大于电磁波长一半时，就能为雷达图像识别，而水平分辨率则取决于测量时的点距，雷达探测深度则取决于目标体对电磁波的吸收大小。地下管线由于存在与周围介质的电性差异（金属、塑胶、混凝土与回填土、细砂之间存在的差异），故可作为地质雷达探测的目的体。当由地面发射的雷达波遇到该类目的体时，就会反射返回地面，为接收天线接收。当选取合、点距（０．０３～及天线间距适的频率（常选取２００ＭＨｚ～１ＧＨｚ）０．１ｍ）时，就可从雷达波形图（地下管线反映在雷达波形图上常呈“拱形”）上分辨出管道的位置与埋深。

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从技术的角度来看，应用ＧＰＳ加计算机系统监控超高层建筑施工还存在有以下技术难题：

（１）尚需开发顾及建筑施工特点的专用软件和监控温度、风向、日照变化的仪器，加深对上述变化规律的认识，以期对施工生产起到有效的指导作用。

（２）如何在计算机分析软件处理过程中，过滤掉由于交叉施混凝土的振捣工而引起的偶然变位，比如混凝土倾倒荷载作用、力、钢结构构件吊装等。

图２钢柱摆动周期测定原理示意图

同样道理，ＧＰＳ也可以应用于超高层建筑混凝土施工垂直度控制、爬模体系的纠偏等施工监测工作。

（３）如何采取有效措施加快数据采集、处理工作，以保证施工工作快速顺利进行。

（４）如何采取措施防止由于城市密集建筑群以及电磁波等对接受信号的阻碍和影响。

２．２ＧＰＳ应用于超高层建筑监测的优越性

采用ＧＰＳ技术具有其它方法无法比拟的优越性。

ＧＰＳ定位技术不受气候条件和通视条件的限制。可在任何恶劣的天气下进行定位。在传统的测量方法中，常因通视而影响施工布置和施工工期，用ＧＰＳ定位，不要求通视，因此，不需要改变施工布置，从而可保证施工进度。ＧＰＳ技术长于动态物体的定位，建筑物摆动周期和摆动规律用传统方法是无法解决的，但采用ＧＰＳ技术却很容易实现。ＧＰＳ技术测量速度快，劳动强度小，不会产生误差积累。 １７４

３结论

随着超高层建筑不断出现，高层建筑施工常规测控方法已经很难满足规范要求，如何在温差、日照、风载等外界环境因素影响下迅速、准确地完成平面轴线控制、高程传递，已成为影响

超高层建筑施工的首要因素，作者通过对全球卫星定位系统基本原理的介绍，试图将该高科技技术应用于超高层建筑施工测量中，

并就有关问题进行研讨。

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建材与装饰２００８年１

月下旬刊

勘察、测绘与测试技术

号，幸好地质雷达的扫描发现了这一异常，从而避免了一场工程事故。

３地质雷达在管线探测实际工作中的应用

在城市改建场地地下管线探测实际工作中，场地条件一般十分恶劣，常会存在无规则开挖、堆填、杂物堆放等等，导致管线埋深人为加大、线路无法连续追踪、管线窨井盖等附属物被埋、

金属堆放物干扰严重等，再加上管线探测仪探测深度浅等限制，使得常规方法的管线调查、管线仪探测等变得困难重重，很难确保不遗漏管线。利用地质雷达探测深度大、不受管材及有无露头的限制等优点，可作为常规地下管线探测方法的补充，对常规方法难以解决或分辨的孤管段、非金属管、埋深超深的管道、平行且距离较近的管道、地表为含钢筋网水泥的管道及无目的体管道等进行探测，确保无漏网之鱼。下面结合工程实例，综合论述地质雷达在城市改建场地管线探测中作为补充探测手段所起的作用。

图２

电信管群地质雷达探测波形图

３．３连续采集扫描探测，确保无遗漏

为完成天然气转换工程，近年来深圳地区铺设了大范围的天然气中压及高压管道。为配合管道中心线设计和机械化施工，管道铺设沿线多进行了场地地下管线探测。在探测过程中，笔者发现因测区范围为狭长带区域，若完全按照常规的探测方法，例如扩大调查范围、大面积仪器追踪探测、断面扫描探测等综合运用，势必费时费力，测区外的多数劳动属“无用功”，且对隐蔽的非金属设施很难查清。针对这一实际情况，我们采取了地质雷达扫描探测和常规管线探测方法相结合的措施：即利用地质雷达连续采集功能沿设计中线布置测线，初步选取异常；同时常规管线探测方法对测区进行详细的调查、追踪探测，并将结果进行对比、验证、排查。图３显示了一条有代表性的长约５０ｍ的探测剖面，从雷达图像处理结果可看出，该剖面共确定异常５处。经和为ＤＮ４００混凝土常规探测方法所得管线图对比，发现“异常１”质雨水管、“异常２”为ＤＮ３００铸铁给水管、“异常４”为直埋电力电缆，而“异常３”“异常５”、管线图中未反应。外业人员根据雷达解释结果在现场扩大了调查范围，再距离路线２００ｍ外的排洪“异常河内终于发现，“异常３”为一条３５００Ｘ２５００的排水暗渠，为ＤＮ５００的给水管，并被施工于以验证，从而避免了因机械５”

化施工造成的管线破坏，并避免了经济损失和社会影响。

３．１探测非金属管道，省时省力

早年间横贯深惠公路预埋了一条ＤＮ１５００孤立的水泥管

段，现新铺设管道拟与其接通，但因年代久远，现场无法确定具体位置，管道经过路面为柏油路，埋深１．５ｍ左右，往来车流量非常大，无法进行大面积开挖寻找。显而易见，管线探测仪或弹性波仪器对此是无能为力的。为确定该管的位置与埋深，垂直管道方向布设一条雷达测线。我们利用加拿大ＰｕｌｓｅＥＫＫＯＰＲＯ型地质雷达，通过现场试验，中心频率采用１００ＭＨｚ天线，点距为采样间隔８００ｐｓ，采用１２８次垂向叠加平均，天线间距为０．１ｍ，

发射脉冲电压为１０００Ｖ，时间窗口为２００ｎｓ，波速取０．０９ｍ／０．６ｍ，

经数据处理所得雷达波形图如图１。从图１可看出，该管位于ｎｓ。

埋深约为１．５ｍ。该剖面未经复杂的处起始位置４．３￣５．８ｍ之间，

理，即得出比较清晰的结果。经在公路两侧开挖，准确找到管道的预留口，避免了大面积开挖及破路的困扰。

图１孤立混凝土管段地质雷达探测波形图

３．２避开场地干扰，确保探测质量

在深圳南山拟新建高架道路场地，改造线路穿过集装箱堆放场。为确定桩位，经过大范围的管线调查、追踪探测、管线仪扫描探测，初步选取了桩位。但因场地狭小（最狭窄处仅５ｍ，管线

仪感应扫描时一般要求发射机和接收机的距离不小于１０ｍ），金属集装箱对管线仪的电磁信号干扰很大，导致管线仪的感应法扫描难以分辨真伪，为确保无管线遗漏，通过初选桩位布设了两条十字交叉的雷达剖面，天线频率采用２００ＭＨｚ，点距为０．１ｍ，采样间隔８００ｐｓ，采用６４次垂向叠加平均，天线间距为０．６ｍ，发射脉冲电压为１０００Ｖ，时间窗口为１５０ｎｓ。经分析处理，斜穿道路通过桩位有一明显的异常，雷达波形图如图２所示。经咨询现场管理人员，确认该异常为电信管群（内穿全部为军用光缆）所至。现场由于两侧的井盖均被集装箱压盖，人工调查未能发现，管线仪扫描时又因受场地限制和金属物干扰未能分辨出其异常信

图３综合管线地质雷达扫描判释图

４结论

从上述３个工程实例可看出，地质雷达具备的探测深度大、不受管材及有无露头的限制等优点，可在城市改建场地地下管线探测中，特别是在施测条件恶劣的场地发挥巨大的作用。但是

地质雷达昂贵的设备、确认管线的繁杂工序均导致其不可能成为地下管线探测的主要手段，如果在地下管线探测过程中，常规方法为主、有选择的利用地质雷达探测为辅，采取地质雷达探测手段和常规管线探测方法相结合、互补互用的措施，可以有效地弥补管线仪及常规管线探测方法的不足，

不失为一种上佳选择。

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