關(guān)鍵詞： 探地雷達(dá) 管線探測

摘要：地下管線普查是按管網(wǎng)管理部門要求，采取現(xiàn)場調(diào)查、儀器探測和測繪的工作方法獲取工作區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)狀地下管網(wǎng)屬性和空間位置的有關(guān)數(shù)據(jù),并建立數(shù)據(jù)庫的過程。地下管線普查中使用的探測儀器以管線探測儀、金屬探測儀和探地雷達(dá)為主，其中由于管線探測儀的快速高效、簡便靈活和高精度低成本的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但受其工作原理的限制，存在探測工作盲區(qū)：非金屬管線如水泥、塑料與陶瓷等材質(zhì)管線；傳導(dǎo)電信號弱的金屬管線（如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等）和探測信號難以區(qū)分的并行與交叉金屬管線等。

概論 

地下管線普查是按管網(wǎng)管理部門要求，采取現(xiàn)場調(diào)查、儀器探測和測繪的工作方法獲取工作區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)狀地下管網(wǎng)屬性和空間位置的有關(guān)數(shù)據(jù),并建立數(shù)據(jù)庫的過程。地下管線普查中使用的探測儀器以管線探測儀、金屬探測儀和探地雷達(dá)為主，其中由于管線探測儀的快速高效、簡便靈活和高精度低成本的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但受其工作原理的限制，存在探測工作盲區(qū)：非金屬管線如水泥、塑料與陶瓷等材質(zhì)管線；傳導(dǎo)電信號弱的金屬管線（如橡膠墊接口的鑄鐵管、球墨鑄鐵管等）和探測信號難以區(qū)分的并行與交叉金屬管線等。 

 探地雷達(dá)利用發(fā)射高頻寬頻帶電磁波并接受來自地下界面的反射波，根據(jù)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(jié)構(gòu)。只要地下管線目標(biāo)與周圍介質(zhì)之間存在足夠的電性差異就能被探地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。探地雷達(dá)的管線探測能力彌補(bǔ)了管線探測儀的探測缺陷，因此探地雷達(dá)已成為城市地下管線探測必備的設(shè)備。

城市地下管線鋪設(shè)特點(diǎn)多為地面開槽和機(jī)械頂管等方式埋設(shè)，一般埋深較淺，在0.5-5米之間。管線周圍介質(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(jié)構(gòu)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(nèi)的介質(zhì)為水、空氣、可燃?xì)怏w等，管體材質(zhì)為鋼、鑄鐵、水泥、塑料、磚混等。探地雷達(dá)應(yīng)用的物性前提是目標(biāo)管線體與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)和電磁波波速存在明顯差異。 

 金屬管線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，因此管線與周圍介質(zhì)存在明顯的電磁性差異；非金屬管線除管線本身材質(zhì)與周圍介質(zhì)存在一定差異外，如混凝土介電常數(shù)為6.4，被傳播速為0.12，而濕土介電常數(shù)為8-19，波速為0.07-0.11，更主要的是管道內(nèi)介質(zhì)如水、氣體等與周圍介質(zhì)電磁性差異更大，如果依功率反射系數(shù)的估算公式： 

                                                                                          Pr＝| |2 

        注：Pr功率反射系數(shù)；εh周圍介質(zhì)相對介電常數(shù)；εT管線或管線內(nèi)介質(zhì)相對介電常數(shù) 

計(jì)算的目標(biāo)體功率反射系數(shù)大于0.01為標(biāo)準(zhǔn)，探測目標(biāo)管線的功率反射系數(shù)均能滿足探地雷達(dá)的應(yīng)用物性前提條件。 

在實(shí)際管線探測工作中，目標(biāo)管線的材質(zhì)及內(nèi)部介質(zhì)一般是清楚的，但管線存在的周圍環(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。就是管線的同一地點(diǎn)上周圍介質(zhì)的介電常數(shù)都不會(huì)是一個(gè)常值，其數(shù)值的大小會(huì)隨季節(jié)的不同甚至是時(shí)段的不同而變化。這樣采用探地雷達(dá)探測時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)同一目標(biāo)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(yù)期效果，根據(jù)目標(biāo)管線及現(xiàn)場介質(zhì)情況，選擇最佳的雷達(dá)測量參數(shù)成為影響探測效果的關(guān)鍵因素。 

1 探地雷達(dá)測量參數(shù)的設(shè)定 

1.1 波速的確定 

在探地雷達(dá)的垂向分辨率范圍內(nèi)，探測管線埋深精度主要與管線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(shù)計(jì)算；（2）由已知深度的目標(biāo)體標(biāo)定；（3）用現(xiàn)狀目標(biāo)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周圍介質(zhì)的不穩(wěn)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)普查的管線出露點(diǎn)較多，也為標(biāo)定提供了必要條件。 

已知深度的目標(biāo)體標(biāo)定應(yīng)用方法是：在測區(qū)范圍內(nèi)選擇物性條件具有代表性的出露點(diǎn)進(jìn)行探地雷達(dá)測量，觀察推測記錄管線上介質(zhì)及介質(zhì)結(jié)構(gòu)。然后對多個(gè)（測定出露點(diǎn)個(gè)數(shù)選擇，只要能兼顧到區(qū)內(nèi)各種環(huán)境狀況即可）觀測結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)分類，作為管線探測時(shí)的參照，目標(biāo)管線異常深度計(jì)算采用相應(yīng)同等環(huán)境波速標(biāo)定結(jié)果。在有條件的情況下選擇在同剖面上用已知深度管線（包括可見或其他方法探測深度）的波速標(biāo)定目標(biāo)管線效果最佳。 

1.2 天線頻率的選擇 

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

                                                                                           f=MHz 

         注：x（m）為空間分辨率；ε為管線周圍介質(zhì)的相對介電常數(shù)估算

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

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

1.3 時(shí)窗的設(shè)定 

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

                                                                                   w=3.4dmax/v  

          注：w(ns)為時(shí)窗；dmax目標(biāo)深度；v(m/ns)介質(zhì)波速估算時(shí)窗的大小，實(shí)際工作中以管線異常位于時(shí)窗內(nèi)的中心偏下位置為最佳效果，結(jié)合不同天線的測深能力與管線分布特點(diǎn)，當(dāng)目標(biāo)管線埋深1.5米，周圍介質(zhì)電磁波波速為0.1m/ns時(shí)，估算時(shí)窗為51ns。因此，采用350MHz天線探測管線時(shí)，時(shí)窗一般設(shè)定為50 ns，如果周圍介質(zhì)波速較低并且目標(biāo)管線埋深較大，時(shí)窗可適當(dāng)增大，但最大不宜超過80 ns。 

2 地下管線的探地雷達(dá)異常特征 

對于管線探測，探地雷達(dá)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空間位置的重要標(biāo)識，在管線探測的橫向剖面上管線作為孤立的埋設(shè)物其反射波的同相軸為：當(dāng)管線為圓形管道時(shí)為向下開口的拋物線呈傘形狀；當(dāng)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，兩端各為半支下開口拋物線。 

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(qiáng)，振幅越大，上下介質(zhì)中波速大小決定反射波振幅方向，當(dāng)從介電常數(shù)小波速大的進(jìn)入介電常數(shù)大波速小的介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，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(shù)為正，反射波幅與入射波同向。地下目標(biāo)管線一般存在四層介質(zhì)界面，即管線的內(nèi)外各兩層，反射波以上層內(nèi)界面為例，非金屬管線內(nèi)上界面的反射波振幅較大，當(dāng)內(nèi)介質(zhì)為水時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，反射波為反向；當(dāng)內(nèi)介質(zhì)為氣體時(shí)，反射系數(shù)為正，反射波為正向；金屬管線由于金屬內(nèi)波速近似為零，反射波自然為反向，而且反射振幅特別強(qiáng)，同時(shí)反射信號以管線的外層界面為主，其它層面較弱。 

3 應(yīng)用建議 

（1）因?yàn)楣芫€周圍介質(zhì)物性隨空間、時(shí)間變化的而變化，所以對目標(biāo)管線的管線點(diǎn)探測應(yīng)采用多條垂直剖面和多次重復(fù)觀測的方法，并對成果進(jìn)行綜合對比分析之后確定管線點(diǎn)。作業(yè)時(shí)應(yīng)注意選擇有利于探地雷達(dá)工作