应用探地雷达确定复杂条件下管线空间位置
张献民，秦凯，吕耀志
（中国民航大学机场学院，天津300300）
[摘要】某高层住宅楼群管井间楼板层内各种入户管线密集、复杂、走向无规律且存在严重干扰，工程要求在空间狭小且管线密集的管井区域内确定两个直径为7.5cm的可供打孔的安全区域.为实现各种管线的准确定位，制作了室内模型，开展了探地需达在复杂管线条件下准确定位的可行性试验.选用1.7GHz屏账天线在现场进行了大 量的测试，共完成484个管并测试，确定钻孔区城968个.操测结果表明，通过探地需达灰度图可以准确识别出理设在楼板内部的内径大于2cm的各种不同管线，经钻孔验证，成功率99.48%，取得了较好的工程实效.
[关键词】探地需达：管井：管线：测址：精确定位 [文献标识码】A [文章编号]1002-8498(2012)03-0069-04[中图分类号]TU81
Adopting GroundPenetratingRadar to Determine Spatial Location ofPipelinesUnder Complex Conditions
(The Airport College CAUC Tianjin300300 Chin) Zhang Xianmin Qin Kai Lo Yaozhi
high-rise residential. There was serious interference between them. Acording to the requirement of the Abstract;There were various kinds dense plex and iregular pipelines in the tube-wells of someproject it’ s needed to determine two available security regjins dimeter f 7.5cm in the narrow space oftube-wells which region can be drilling. To achieve the purpose of aceurate positioning the pipeline authors made the indoor model launched a feasibility test which used the ground-penetrating radsr todid a lot of tests in the scene pleted a total of 484 tube wellstests and determined the 968 driling aceurate position the pipeline in plex conditions.Finally the athons selected 1.7GHz antennas andregions. Detection results showed that by gray-scale ground-penetrating radar can accurately identifydiferent pipelines which inside diameter were greater than 2cm buried in the foor. Verifed by drilling the success rate was 99. 48% The project achieved good results.
Key words;GPR; tube wells; pipelines; measurement; precise positioning
狭小且管线密集的管井区城内确定两个直径为
1工程概况
天津某高档住宅小区共有10栋高层住宅楼，总7.5cm的可供打孔的圆形安全区域.计近500层.单元内每层有两户，电梯间旁设置管线.但在供水、供暖的管井间内没有设置下水管，孔区域968个.经实际工程验证，准确识别出理设 井间铺设供水、供暖、供电、通讯及控制信号等管这将导致管线出现损坏漏水时水不能及时排走，进在楼板内部的内径大于2cm的各种不同管线，成功面满溢到电梯井甚至住户家里，带来巨大提失.故率为99.48%，为类似工程提供了有益借鉴.需要在管线密布的管井间找出可以设置下水管和地漏的位置.
经综合分析与模型试验，采用了以探地雷达为主的综合测试技术，共完成484个管井测试，确定钻
2方法原理
地质雷达（groundpenetrating radar，简称GPR）成像技术，是为适应快速、准确无损探测地下目的物或对地下工程质量评价面迅速发展的一种方法技术.它与探空雷达或通讯雷达技术相类似，利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲形式送人 地下，经地下地层或目标体反射后返回地面，被接
管井间楼板内，各种人户管线直径小、密集复杂、走向无规律且存在严重干扰，工程要求在空间
和水平分辨率.其中，垂直分辨率在理论上一般把 地质雷达探测的分辨率可以分为垂直分辨率A/4作为垂直分辨率的下限（A为雷达子波波长）.水平分辨率除与测点距离有关外，还与Fresnel带有关，第-Eresnel带直径为√AH/2（H为目的体深度）.
收天线所接收（见图1）.脉冲波行程需时：
(1)
当地下介质中波速为已知时，可根据测得的精确：值，由上式求得反射目标体深度.
地质雷达的探测深度与天线频率、地下介质电阻率及介电常数有关.一般来说，天线频率越高，探测分辨率越高，探测深度超小.
3实际管井间管线分布情况
小区内10栋住宅楼中管井形式较为复杂，共有5种不同形式.图2所示为其中一种管井布局.
图1探地雷达原理Fig. 1 GPR principle schematie diagram
雷达电磁波在介质中传播速度随介质的相对介电常数的增加面降低.地质雷达波速度可按公式（2）计算：
(2)
Fig 2Locatlon of plpe into the concrete floor 图2管并明管入泥凝土层位置示意
式中：c为真空中电磁波传播速度，c=30cm/ns；e.一般介质取μ.=1.一般介质的物理特性如表1 为介质的相对介电常数；μ，为介质的相对磁导率，所示.
除去地面上从主管道分出的人户管道位置，仅留下 管井间内部尺寸长2.1m，宽0.7m，空间狭小.可供一人移动的位置，某些楼层甚至仅有一人侧向站立的位置.考虑到探测及钻孔施工所需的操作空间，实际可供选择的位置相当狭小.1~4区为可 能的水管穿出区.5区代表强弱电管井间.人户水管从主管道整管分出，在结构层表面铺设好后，浇筑混凝土后浇层密封.
表1一般介质的物理特性
Table 1 Thc pbysical characteristics of medla
介质 相对介电常数 A 速度w/（cmm-）空气 1 0 30.0混凝土 水 4~20 80 1-100 0.5 12.0 3.3金属（铁） 300 3.3 10 1.34 16.0 1.7
图3为管井实物图，左侧黑色竖管为暖气主管，来水主管，横管为人户水管，中间仅有容一人侧向 横管为人户暖气管，右侧4根直径较大的竖管为自通过的空间.
对于非磁性物质，垂直界面人射的反射系数可表示为：
(3)
式中：e为介电常数，下标1和2表示界面上、下2 种不同介质.由式（3），界面两侧介电常数的差异决定了反射系数大小，决定了雷达反射波的强弱.即相邻两介质的相对介电常数的差异越大，反射波越强，反射界面越容易识别.
图3管井间水暖管道照片Fig. 3 Photo of plumbing pipes in tube wells
金属对电磁波为全反射，水是电磁波波速较低的物质，只有3.3cm/ns左右.由表1中介质的物理特性，混土与水的界面，混凝土与金属的界面，将产生强反射信号，有利于管线的判别.
图4为某层管井已破开的地面，可见暖气管与水管上下交叉，基本呈纵横向布置，管之间的距离
无规律，弯头转弯也无规律.工程经常需要在如图4所标示的区城定位出直径7.5cm的圆孔.
Fig. 5Pre-test model of pipeline in laboratory 图5实检室预制的试验模型
上层钢筋网，信号干扰比较严重，能够分辨出直径大的管线，但直径小的PVC管信号被没，直径小的金属管信号被干扰，不能准确定位轴线.
Fig 4 Tube-wells with opened ground 图4开地面的管井间
为2cm；水管外直径为2.5cm，内直径为2cm.个别 暖气管为铝塑复合管，外直径为2.5cm，内直径楼层使用的水管直径偏小.地面后浇层厚度一般为8cm，水管管线埋深一般为1~8cm.
为进一步提高定位精度，使用钢筋探测仪.钢管的定位比探地雷达精准，且使用方便，后期使用 筋探测仪体型小，定位精度更高，其对钢筋和金属中，遇到钢筋干扰时，使用钢筋探测仅定位出钢筋，使用雷达定位管线.最终确定以探地雷达操测为主，钢筋探测仪及管线仪辅助探测的联合探测方法.
缆从水暖管井间人户.供电电缆外面使用特制的 从该小区设计图纸上发现，某些楼层的供电电管道作保护，管道有金属管和PVC管两种类型.管道从图2中的5区所代表的强弱电管井间进人水暖管井间，再从1，2区人户.实际检测中发现，由于结构层中设置双层钢筋网，且管道深度一般在20cm， 在该深度由于钢筋的干扰，严重削弱了电缆管线信号，从而难以分辨电缆管道信号，进一步增大探测工作的难度.故启用管线仪，用以定位动力电缓位进行标记.视信号线、电话线、宽带信号线、煤气表信号线、火 灾警报线等各种线缓，在直连模式下，排除可度为12em，为结构层上层钢筋网.能的电缆位置，使得留出的可供选择的钻孔区城更小，给后续的探地雷达定位工作增加一定难度.
经现场标定，混摄土介电常数取8，由式（2）计算得波速为10.6cm/ns，则混凝土中波长为6.24cm.由波长与分辨率的关系，混土中可以分辨最小尺寸为1.6cm的孔润.
雷达图像上管线疑似区的宽度，并在地面相应位置 因雷达探测器自带测距轮，故可以方便地了解
置.管井间干扰多，且有暖气流量信号线、有线电5实际测试结果分析
图6中3个椭圆标示出的亮弧线均为钢筋，深
图7中两个椭圆标示出的亮弧线均为暖气管，深度为6~8cm.由于暖气管材料为铝塑管，管壁有一层金属夹层，产生强反射，故雷达反射信号很强，表现在灰度图上即为高亮.
本次检测使用的仪器为俄罗斯OK0-2AB1700（1700MHz）探地雷达.
4室内模型试验
图8中左侧与右侧两个椭圆标示出的亮弧线均为暖气管，深3~5cm.中间位置的亮弧线为水管，
为提高实际检测中的准确性，进行了室内各类管线模型的试验研究，如图5所示，浇筑了厚度为深4-6cm，由于两侧的暖气管影响，波形不完整.20cm的混凝土楼板模型.A区内部设置2层钢筋 网，即在理设管上、下方各设1层钢筋网，B区仅在深度为8cm，右侧椭圈标示的为暖气管，深4~6cm.管下方铺设钢筋网，网格尺寸为10cm×10cm.试验中，使用不同直径的铁管、PVC管，在空管及存水状态下、分别使用1.2，1.7GHz的雷达天线进行测试.
图9中左侧3个椭圆标示出的亮弧线为钢筋，可见，钢筋与暖气的雷达信号波形有明显不同.
图10中3个桶圆标示出的亮弧线均为水管，深度为2~4cm.图上的竖向标记线表示探测到的管线的轴线位置，由标记线可知，左侧的2根水管轴线 距离为11.4cm，两水管中间的安全区域理论上为8.2cm.经实际探测发现，大多数情况下，整个管井间仅留下类似狭小的安全区域，需要在这个距离范围内定位出7.5cm的位置.这对雷达操作人员提
经测试发现：①使用1.7GHz的天线得到的图像较1.2GHz的清晰且准确：②对于PVC管，中空与 注水两种状态下，信号差异比较明显，注水状态下，图像更明显且清晰；③金属管的图像与PVC管的图像差别很明显，可以很准确地分辨出二者：④A区有
图6钢篇的雷达信号灰度图Fig.6The GPR gray-sealeof steel bars
出了更高的要求.
Fig 9Tbe GPR gray-scale of heater tubes and stel bars 图9暖气管、钢筋雷达信号灰度图
图10水管雷达信号灰度图Fig. 10The GPR gray-scale of Water pipes
图11水管雷达信号灰度图Fig 11The GPR gray-scale of Water plpes
图11中2个椭圆标示出的亮弧线均为水管，深度为8~14cm.后经验证，本图所取的楼板，后浇层为15cm，结构层厚度正常.
6结语
1）对PVC管来说，中空与注水两种状态下，在雷达灰度图中的信号是不同的.注水状态下，由于
图7暖气管营达信号灰度图Fig.7 The GPR gray-scaleof henting tubes
参考文献：
图8暖气管、水管雷达值号灰度图Fig 8The GPR gray-scale of
水的相对介电常数远大于1，由式（3）计算的R绝对值大，PVC管容易辨别.而中空的PVC管则因为没 有水，孔径较小，R绝对值小，导致信号反射不明显，并且容易被后浇层内的缺陷孔洞信号干扰，导致误判.PVC管之间的距离远近、理深大小，对雷达的探测有影响，将导致同一种PVC管在相应条件下产生不同的反射信号，但不影响定位管线的轴线.
2）当距离金属物体较近时，钢筋探测仪会被其干扰，不能定位该范围内的金属物体，需要完全依靠探地雷达进行探测.
电电缆及控制信号线的同时，也标示出虚假的线 3）管线仪在管井内受到干扰，在定位出真实供路，使得可供选择的区域减少，给探地雷达的探测增加困难.
4）探地雷达、钢筋探测仪、管线仪联合探测方法，有效地提高了探测效率与准确率.
[1]赵水辉，是健生，高频蓄达在想豪土无损检测中的应用及关[2]张项额，李建华，李小平，探地冒达技术在公路隧道衬额质 键技术[J].CT理论与应用研究，2000 9（2）：9-13.量检测中的应用研究[1].工期察，2005（2）：64-67.[3]姜卫方，万明后，混土体内钢筋位置检测实例：高额地质督 达应用效果[J].上海地质，1999（1）：47-54.[4]尹兵样，王尚绪，宋维琪，等、室内千扰条件下探地雷达在理地管线探测中的应用[J].石治大学学报：自然科学版， 2003 27(5) ;21-24.[5]陈珞德，地质雷达检离技术在梧村道衬砌质量检测中的应[6]李二兵，谭跃虎，段建立，地质雷达在随道工程检测中的应用 用[J].公路工程，2010 35（1）：134-137.[1].地下空间与工程举报，2006 2（2）：267-270.[7]王水强，李承近，探地雷达在地下国废钢瓶探测中的应用 [J].工程勘察，2001(5）：86-90[8]袁明德，探地蓄达探测地下管线的能力[J].物探与化探，[9]汤洪志，罗坤，操地蓄达在管线探测与工程勘察中的应用 2002 26(2) ;152-162.[].华东地质学院学推，1999 22（2）：156-166.[10]邓小孩，王通，探地價达探测中对媒质相对介电常数的测定 [J].物探与化探，2009 33（1）：43-48.
