地下雙層多管線雷達探測實驗研究

趙得杰，張永濤

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司 第五設計分院，天津 300133；2.中建國際投資(中國)有限公司，廣東 深圳 518000)

地下雙層多管線雷達探測實驗研究

趙得杰1，張永濤2

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司 第五設計分院，天津 300133；2.中建國際投資(中國)有限公司，廣東 深圳 518000)

探地雷達在地下雙層多管線檢測中應用廣泛.但是檢測時，往往受到不同介質、不同組合方式的影響，從而導致管線難以分辨.針對不同介質、不同組合方式的雙層多管線進行室內實驗并進行圖像解釋.實驗結果表明，探地雷達可以清晰地對雙層多管線進行辨識.

雙層多管線；填土；圖像分析；探地雷達

0 引 言

隨著地鐵、高鐵、高速公路及機場等大量基礎設施的建設，為了滿足工程的要求，必須對其地基進行相應的處理[1]，而此類工程的地基在長期的使用過程中，受自然環境的影響較大，會出現各種病害[2].傳統的地基檢測方法大多基于破損實驗，且只能提供少數點的信息，偶然性較大，很難以經濟有效且科學的方式來評價地基的均勻性[3]，而隨著科技技術的發展，越來越多的檢測技術用于地基質量的檢測[4].其中，探地雷達采用高頻電磁波來探測介質分布，其以快速、無損且直觀的特點成為地基檢測的主要工具之一[5].但科研人員對利用該技術所獲得的檢測圖形的解釋和缺陷的判斷并沒有形成統一的認識，對經驗的依賴性較高，因此目前還只能作為一種輔助手段[6].對此，本研究特制作了地下雙層多管線模型，利用LTD-2100型探地雷達進行實驗，用400 MHz和900 MHz天線進行掃描，并對圖像進行特殊處理，得出了具有較高實際應用價值的結論.

1 模型設計

為了提高探地雷達對填土中雙層多管線探測結果的準確性，本研究設計了不同介質、不同管線組合方式的雙層多管線的檢測實驗方案.為了更加準確地模擬實際情況，實驗在土槽中進行，圖槽的設計尺寸為3 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高).進一步為了避免土槽壁反射波的影響，實驗只限于土槽中部1 m范圍內[7].不同介質作用下雙層多管線探測模型如圖1所示.在實驗中，本研究使用不同管徑的PVC管來模擬管線，管線的直徑和埋深如圖1所示.圖1(a)為填土介質下雙層多管線探測模型，管線的水平間距為200 mm；圖1(b)為填土介質下雙層并列管線探測模型，上層管線為雙管線，下層管線為三角形布置；圖1(c)為填土介質下斜向管線探測模型，上層1#、2#、3#管線為斜向管線，間距為1倍管線直徑，距下層管線的距離150 mm；圖1(d)為鋼筋網(Φ8@150)介質下雙層多管線探測模型；圖1(e)為鋼筋網(Φ20@200)介質下雙層多管線探測模型.

圖1地下雙層多管線探測模型示意圖

2 檢測結果及分析

2.1 填土介質下雙層多管線探測模型

圖2為測線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖2填土介質下雙層多管線雷達掃描圖像

從圖2(a)可知，上層1#、2#管線相互重疊，4#、5#管線相互重疊，3#管線圖像未受到兩側管線的干擾，圖像為典型雙曲線形式.下層6#、7#管線圖像疊加成一個反射波，反射波在頂部發生錯段，這是由于下層管線距離上層管線僅有150 mm，受上層管線的干擾較大.此時，應結合單道波形圖對管線的數量進行判斷，否則極易判斷為一根大管線.從圖2(b)可知，上層1#、2#、3#、4#、5#管線反射波無相互重疊.下層6#、7#管線雖然有部分重疊，但仍然可以分辨出來.上層管線1#、5#的直徑僅為75 mm，下層6#、7#管線的埋深為450 mm，這些管線都可以被清晰辨別，說明在探測深度較小時，900 MHz天線具有較好的識別能力.通過右側標尺可以看到，上層管線的影響深度主要集中在150～250 mm之間，影響深度約為100 mm.

2.2 填土介質下雙層并列管線探測模型

圖3為測線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖3填土介質下雙層并列管線雷達掃描圖像

從圖3可知，上層1#雙管線、2#雙管線、3#雙管線單根管線反射圖相互重疊成一條雙曲線，這是由于單根雙管線的直徑小于160 mm，探地雷達不能分辨出單根管線所致.下層4#三管線為三角形布置，反射圖像雖然呈典型的雙曲線形式，但在翼緣發生錯段.通過模型圖可知，雙曲線的頂點應在350 mm處，但在反射圖像上很容易判斷450 mm處為雙曲線的頂點(十字標)，此時應該通過雙曲線翼緣反向延伸來確定管線的位置.上層左側1#雙管線的直徑為110 mm，右側3#雙管線的直徑為40 mm，下層4#三管線右側翼緣比左側翼緣清晰，受到的干擾小.相比圖3(a)，圖3(b)的清晰度明顯較高.由于下層4#三管線距離上層雙管線僅僅100 mm，處于干擾范圍內，所以4#管線頂部受干擾嚴重.

2.3 填土介質下斜向管線探測模型

圖4為測線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.探測時，斜向管線與測線呈45 °夾角.

圖4填土介質下斜向管線雷達掃描圖像

從圖4可知，上層1#、2#、3#管線反射圖相互獨立無疊加，下層4#管線呈雙曲線形式，5#管線只能分辨出右側翼緣.與上下層管線平行放置相比，雙曲線的頂部未出現錯段現象.從波形圖中也可以看出，在下層4#與5#管線位置，雷達波振幅突然增強.相比圖4(a)、圖4(b)清晰且兩側翼緣較短，只保留了雙曲線的頂部，能夠準確地判斷出管線的位置.

2.4 鋼筋網(Φ8@150)介質下雙層多管線探測模型

圖5為測線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖5鋼筋網(Φ8@150)介質下雙層多管線雷達掃描圖像

從圖5可知，在鋼筋網介質的干擾下，上層1#、2#、3#、4#、5#管線反射圖像退化為鋸齒狀波形圖，形成雜亂的反射波(類似于雙曲線反射波形)，因此只能通過反射波的頂部判斷出管線個數.下層6#、7#管線反射圖像相互疊加形成一條新的雙曲線，但此雙曲線同向軸發生錯段，仍能分辨出6#、7#管線.通過左側標尺可以看到，下層6#、7#管線位于550 mm處，與模型圖相比，其位置降低100 mm，出現較大誤差.在填土介質下，雷達波速為0.105 m/ns，通過換算在鋼筋網介質下波速為0.085 m/ns，可見鋼筋網介質作用下雷達波傳播速度降低.

2.5 鋼筋網(Φ20@200)介質下雙層多管線探測模型

圖6為測線3使用400 MHz和900 MHz天線所得的空洞圖像及單道波形圖.

圖6鋼筋網(Φ20@200)介質下雙層多管線雷達掃描圖像

從圖6可知，在鋼筋網介質作用下，隨著鋼筋直徑的增加，盡管間距增大為200 mm，上層管線反射波形圖畸變為鋸齒狀，較難分辨出單根管線，但仍能看出此處存在缺陷.下層6#、7#管線相鄰的翼緣雖然相互疊加，但可以分辨出6#、7#管線的雙曲線頂部，可以確定6#、7#管線位置.該模型雷達波速度設置為0.085 m/ns，下層管線位置與模型圖基本相同.

3 結 論

本研究利用探地雷達對不同介質作用下的雙層多管線模型進行了實驗，并得出如下結論：900 MHz天線的分辨率較高，且識別能力強，所以適用于較小深度的探測；上層管線對下層管線的影響程度取決于兩層管線的垂向距離，距離越大，影響越小，管線的影響深度一般為100 mm；鋼筋網介質對波速的影響較大，被檢測物種若存在鋼筋網，雷達波速應小于0.1 m/ns.實驗結果表明，鋼筋網介質對雷達檢測結果有很大的影響，當管線距離鋼筋網較近時，只能定性判斷出管線.所以在檢測過程中，若遇到鋼筋網介質時，應將測線布置成測線陣，以此來提高檢測結果的準確性.

[1]王勇.城市地下管線探測技術方法研究與應用[D].長春：吉林大學,2012.

[2]孫偉.地下管線探測數據處理及可視化技術研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學,2012.

[3]趙得杰,張永濤,郎海鵬.探地雷達在填土下部空洞檢測中的試驗研究[J].成都大學學報(自然科學版),2015,34(2):204-208.

[4]李杰.城市地下管線探測技術及質量控制研究[D].北京：中國地質大學(北京),2013.

[5]余海忠,歐陽宇峰,陳鴻，等.探地雷達地面干擾波二維濾波處理方法研究[J].地球物理學進展,2012,27(4):1738-1742.

ResearchofGroundPenetratingRadarTechnologyinUndergroundDouble-layer-pipelineDetection

ZHAODejie1，ZHANGYongtao2

(1.The Fifth Design Branch, China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd.，Tianjin 300133，China；2.China State Construction International Investments(China) Limited, Shenzhen 518000, China)

Nowadays,the ground penetrating radar technology is widely used in underground double-layer-pipeline detection.However,it is pretty hard to identify the pipelines due to the influence of different mediums or different compound modes.Consequently,the tests on the double-layer-pipeline are carried out under various circumstances such as different medium or different compound mode in laboratory.What's more,image illustration is also done.The tests demonstrate that the ground penetrating radar can clearly identify the double-layer-pipeline.

double-layer-pipeline;filling;image analyzing;ground penetrating radar

TU990.3；P631.3

A

1004-5422(2017)04-0431-03

2017-10-05.

趙得杰(1990 — )，男，碩士，從事城市交通路基結構與無損檢測技術研究.