關(guān)鍵詞： 探地雷達 管線(xiàn)探測

摘要：地下管線(xiàn)普查是按管網(wǎng)管理部門(mén)要求，采取現場(chǎng)調查、儀器探測和測繪的工作方法獲取工作區范圍內現狀地下管網(wǎng)屬性和空間位置的有關(guān)數據,并建立數據庫的過(guò)程。地下管線(xiàn)普查中使用的探測儀器以管線(xiàn)探測儀、金屬探測儀和探地雷達為主，其中由于管線(xiàn)探測儀的快速高效、簡(jiǎn)便靈活和高精度低成本的特點(diǎn)而得到廣泛應用，但受其工作原理的限制，存在探測工作盲區：非金屬管線(xiàn)如水泥、塑料與陶瓷等材質(zhì)管線(xiàn)；傳導電信號弱的金屬管線(xiàn)（如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等）和探測信號難以區分的并行與交叉金屬管線(xiàn)等。

概論 

地下管線(xiàn)普查是按管網(wǎng)管理部門(mén)要求，采取現場(chǎng)調查、儀器探測和測繪的工作方法獲取工作區范圍內現狀地下管網(wǎng)屬性和空間位置的有關(guān)數據,并建立數據庫的過(guò)程。地下管線(xiàn)普查中使用的探測儀器以管線(xiàn)探測儀、金屬探測儀和探地雷達為主，其中由于管線(xiàn)探測儀的快速高效、簡(jiǎn)便靈活和高精度低成本的特點(diǎn)而得到廣泛應用，但受其工作原理的限制，存在探測工作盲區：非金屬管線(xiàn)如水泥、塑料與陶瓷等材質(zhì)管線(xiàn)；傳導電信號弱的金屬管線(xiàn)（如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等）和探測信號難以區分的并行與交叉金屬管線(xiàn)等。 

 探地雷達利用發(fā)射高頻寬頻帶電磁波并接受來(lái)自地下界面的反射波，根據反射波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，解釋推斷地下介質(zhì)結構。只要地下管線(xiàn)目標與周?chē)橘|(zhì)之間存在足夠的電性差異就能被探地雷達發(fā)現。探地雷達的管線(xiàn)探測能力彌補了管線(xiàn)探測儀的探測缺陷，因此探地雷達已成為城市地下管線(xiàn)探測必備的設備。

城市地下管線(xiàn)鋪設特點(diǎn)多為地面開(kāi)槽和機械頂管等方式埋設，一般埋深較淺，在0.5-5米之間。管線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)為回填土、砂質(zhì)土和粘土等，管道上方鋪有壓實(shí)路面結構層，如三合土、混凝土、瀝青路面、方磚等，需探測的管道一般管徑為0.1-1.5米之間，管道內的介質(zhì)為水、空氣、可燃氣體等，管體材質(zhì)為鋼、鑄鐵、水泥、塑料、磚混等。探地雷達應用的物性前提是目標管線(xiàn)體與周?chē)橘|(zhì)的介電常數和電磁波波速存在明顯差異。 

 金屬管線(xiàn)由于金屬中電磁波波速為零，不能傳播，電磁波在金屬管道界面上幾乎全部反射回來(lái)，因此管線(xiàn)與周?chē)橘|(zhì)存在明顯的電磁性差異；非金屬管線(xiàn)除管線(xiàn)本身材質(zhì)與周?chē)橘|(zhì)存在一定差異外，如混凝土介電常數為6.4，被傳播速為0.12，而濕土介電常數為8-19，波速為0.07-0.11，更主要的是管道內介質(zhì)如水、氣體等與周?chē)橘|(zhì)電磁性差異更大，如果依功率反射系數的估算公式： 

                                                                                          Pr＝| |2 

        注：Pr功率反射系數；εh周?chē)橘|(zhì)相對介電常數；εT管線(xiàn)或管線(xiàn)內介質(zhì)相對介電常數 

計算的目標體功率反射系數大于0.01為標準，探測目標管線(xiàn)的功率反射系數均能滿(mǎn)足探地雷達的應用物性前提條件。 

在實(shí)際管線(xiàn)探測工作中，目標管線(xiàn)的材質(zhì)及內部介質(zhì)一般是清楚的，但管線(xiàn)存在的周?chē)h(huán)境介質(zhì)卻是在變化的，即便是同一城市、同一街道中也是一樣。就是管線(xiàn)的同一地點(diǎn)上周?chē)橘|(zhì)的介電常數都不會(huì )是一個(gè)常值，其數值的大小會(huì )隨季節的不同甚至是時(shí)段的不同而變化。這樣采用探地雷達探測時(shí)經(jīng)常會(huì )出現同一目標管段上多條剖面探測效果不一致，有的異常清晰明顯，有的難以分辨。為了使探測取得預期效果，根據目標管線(xiàn)及現場(chǎng)介質(zhì)情況，選擇最佳的雷達測量參數成為影響探測效果的關(guān)鍵因素。 

1 探地雷達測量參數的設定 

1.1 波速的確定 

在探地雷達的垂向分辨率范圍內，探測管線(xiàn)埋深精度主要與管線(xiàn)上層土壤電磁波傳播速度相關(guān)。獲取該速度一般有：（1）利用地層參數計算；（2）由已知深度的目標體標定；（3）用現狀目標體幾何掃描法推算；（4）用寬角法確定等四種方法。受地下管網(wǎng)探測工作方法和管線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的不穩定性限定，上述四種方法中只有第二種方法能跟蹤不同介質(zhì)的波速變化，使估算波速值最大限度的接近實(shí)際。另外，管網(wǎng)普查的管線(xiàn)出露點(diǎn)較多，也為標定提供了必要條件。 

已知深度的目標體標定應用方法是：在測區范圍內選擇物性條件具有代表性的出露點(diǎn)進(jìn)行探地雷達測量，觀(guān)察推測記錄管線(xiàn)上介質(zhì)及介質(zhì)結構。然后對多個(gè)（測定出露點(diǎn)個(gè)數選擇，只要能兼顧到區內各種環(huán)境狀況即可）觀(guān)測結果匯總統計分類(lèi)，作為管線(xiàn)探測時(shí)的參照，目標管線(xiàn)異常深度計算采用相應同等環(huán)境波速標定結果。在有條件的情況下選擇在同剖面上用已知深度管線(xiàn)（包括可見(jiàn)或其他方法探測深度）的波速標定目標管線(xiàn)效果最佳。 

1.2 天線(xiàn)頻率的選擇 

          采用天線(xiàn)的頻率以探測目標管線(xiàn)深度和空間分辨率所決定。天線(xiàn)頻率（f）按公式： 

                                                                                           f=MHz 

         注：x（m）為空間分辨率；ε為管線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的相對介電常數估算

城市管線(xiàn)普查中管線(xiàn)埋深集中分布區為0.8 -2.0米之間，探測管徑在100mm以上。由公式計算天線(xiàn)頻率為350MHz。如果考慮更小管徑管線(xiàn)探測時(shí)，可將天線(xiàn)頻率增高為500 MHz，采用500 MHz天線(xiàn)雖分辨率有所提高，但一般情況下對1.5米深度以下的管線(xiàn)失去了探測能力；如果要提高探測深度，采用250 MHz天線(xiàn)探測深度可達到3米左右，但對100mm以下管線(xiàn)就有可能漏測。 

  一般探測管線(xiàn)時(shí)采用350、500MHz雙天線(xiàn)組合，或500、250MHz雙天線(xiàn)組合。 

1.3 時(shí)窗的設定 

適宜的時(shí)窗避免時(shí)窗設定過(guò)小而丟失管線(xiàn)異常，又不會(huì )過(guò)大降低垂向分辨率而影響異常的顯示效果。時(shí)窗的設定可由公式： 

                                                                                   w=3.4dmax/v  

          注：w(ns)為時(shí)窗；dmax目標深度；v(m/ns)介質(zhì)波速估算時(shí)窗的大小，實(shí)際工作中以管線(xiàn)異常位于時(shí)窗內的中心偏下位置為最佳效果，結合不同天線(xiàn)的測深能力與管線(xiàn)分布特點(diǎn)，當目標管線(xiàn)埋深1.5米，周?chē)橘|(zhì)電磁波波速為0.1m/ns時(shí)，估算時(shí)窗為51ns。因此，采用350MHz天線(xiàn)探測管線(xiàn)時(shí)，時(shí)窗一般設定為50 ns，如果周?chē)橘|(zhì)波速較低并且目標管線(xiàn)埋深較大，時(shí)窗可適當增大，但最大不宜超過(guò)80 ns。 

2 地下管線(xiàn)的探地雷達異常特征 

對于管線(xiàn)探測，探地雷達的反射波組主要從兩方面進(jìn)行識別解釋。 

首先，反射波組的同相性形成同相軸是判別管線(xiàn)空間位置的重要標識，在管線(xiàn)探測的橫向剖面上管線(xiàn)作為孤立的埋設物其反射波的同相軸為：當管線(xiàn)為圓形管道時(shí)為向下開(kāi)口的拋物線(xiàn)呈傘形狀；當為溝道式或管塊時(shí)同相軸為有限平板，界面反射的中部為平板狀，兩端各為半支下開(kāi)口拋物線(xiàn)。 

其次，電磁波在介質(zhì)中傳播特性決定了地下界面上下介質(zhì)的物性差異越大，反射波越強，振幅越大，上下介質(zhì)中波速大小決定反射波振幅方向，當從介電常數小波速大的進(jìn)入介電常數大波速小的介質(zhì)時(shí)，反射系數為負，即反射波振幅反向，反之，從波速小進(jìn)入波速大的介質(zhì)時(shí)反射系數為正，反射波幅與入射波同向。地下目標管線(xiàn)一般存在四層介質(zhì)界面，即管線(xiàn)的內外各兩層，反射波以上層內界面為例，非金屬管線(xiàn)內上界面的反射波振幅較大，當內介質(zhì)為水時(shí)，反射系數為負，反射波為反向；當內介質(zhì)為氣體時(shí)，反射系數為正，反射波為正向；金屬管線(xiàn)由于金屬內波速近似為零，反射波自然為反向，而且反射振幅特別強，同時(shí)反射信號以管線(xiàn)的外層界面為主，其它層面較弱。 

3 應用建議 

（1）因為管線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)物性隨空間、時(shí)間變化的而變化，所以對目標管線(xiàn)的管線(xiàn)點(diǎn)探測應采用多條垂直剖面和多次重復觀(guān)測的方法，并對成果進(jìn)行綜合對比分析之后確定管線(xiàn)點(diǎn)。作業(yè)時(shí)應注意選擇有利于探地雷達工作