探地雷达在管线探测中的应用

概论
        地下管线普查是按管网管理部门要求，采取现场调查、仪器探测和测绘的工作方法获取工作区范围内现状地下管网属性和空间位置的有关数据,并建立数据库的过程。地下管线普查中使用的探测仪器以管线探测仪、金属探测仪和探地雷达为主，其中由于管线探测仪的快速高效、简便灵活和高精度低成本的特点而得到广泛应用，但受其工作原理的限制，存在探测工作盲区：非金属管线如水泥、塑料与陶瓷等材质管线；传导电信号弱的金属管线（如橡胶垫接口的铸铁管、球墨铸铁管等）和探测信号难以区分的并行与交叉金属管线等。 
        探地雷达利用发射高频宽频带电磁波并接受来自地下界面的反射波，根据反射波的旅行时间、幅度与波形资料，解释推断地下介质结构。只要地下管线目标与周围介质之间存在足够的电性差异就能被探地雷达发现。探地雷达的管线探测能力弥补了管线探测仪的探测缺陷，因此探地雷达已成为城市地下管线探测必备的设备。
        城市地下管线铺设特点多为地面开槽和机械顶管等方式埋设，一般埋深较浅，在0.5-5米之间。管线周围介质为回填土、砂质土和粘土等，管道上方铺有压实路面结构层，如三合土、混凝土、沥青路面、方砖等，需探测的管道一般管径为0.1-1.5米之间，管道内的介质为水、空气、可燃气体等，管体材质为钢、铸铁、水泥、塑料、砖混等。探地雷达应用的物性前提是目标管线体与周围介质的介电常数和电磁波波速存在明显差异。
        金属管线由于金属中电磁波波速为零，不能传播，电磁波在金属管道界面上几乎全部反射回来，因此管线与周围介质存在明显的电磁性差异；非金属管线除管线本身材质与周围介质存在一定差异外，如混凝土介电常数为6.4，被传播速为0.12，而湿土介电常数为8-19，波速为0.07-0.11，更主要的是管道内介质如水、气体等与周围介质电磁性差异更大，如果依功率反射系数的估算公式：
                                                                                          Pr＝| |2
        注：Pr功率反射系数；εh周围介质相对介电常数；εT管线或管线内介质相对介电常数
        计算的目标体功率反射系数大于0.01为标准，探测目标管线的功率反射系数均能满足探地雷达的应用物性前提条件。 
        在实际管线探测工作中，目标管线的材质及内部介质一般是清楚的，但管线存在的周围环境介质却是在变化的，即便是同一城市、同一街道中也是一样。就是管线的同一地点上周围介质的介电常数都不会是一个常值，其数值的大小会随季节的不同甚至是时段的不同而变化。这样采用探地雷达探测时经常会出现同一目标管段上多条剖面探测效果不一致，有的异常清晰明显，有的难以分辨。为了使探测取得预期效果，根据目标管线及现场介质情况，选择最佳的雷达测量参数成为影响探测效果的关键因素。

1 探地雷达测量参数的设定
1.1 波速的确定
        在探地雷达的垂向分辨率范围内，探测管线埋深精度主要与管线上层土壤电磁波传播速度相关。获取该速度一般有：（1）利用地层参数计算；（2）由已知深度的目标体标定；（3）用现状目标体几何扫描法推算；（4）用宽角法确定等四种方法。受地下管网探测工作方法和管线周围介质的不稳定性限定，上述四种方法中只有第二种方法能跟踪不同介质的波速变化，使估算波速值最大限度的接近实际。另外，管网普查的管线出露点较多，也为标定提供了必要条件。
        已知深度的目标体标定应用方法是：在测区范围内选择物性条件具有代表性的出露点进行探地雷达测量，观察推测记录管线上介质及介质结构。然后对多个（测定出露点个数选择，只要能兼顾到区内各种环境状况即可）观测结果汇总统计分类，作为管线探测时的参照，目标管线异常深度计算采用相应同等环境波速标定结果。在有条件的情况下选择在同剖面上用已知深度管线（包括可见或其他方法探测深度）的波速标定目标管线效果最佳。
1.2 天线频率的选择
          采用天线的频率以探测目标管线深度和空间分辨率所决定。天线频率（f）按公式：
                                                                                           f=MHz
         注：x（m）为空间分辨率；ε为管线周围介质的相对介电常数估算
         城市管线普查中管线埋深集中分布区为0.8 -2.0米之间，探测管径在100mm以上。由公式计算天线频率为350MHz。如果考虑更小管径管线探测时，可将天线频率增高为500 MHz，采用500 MHz天线虽分辨率有所提高，但一般情况下对1.5米深度以下的管线失去了探测能力；如果要提高探测深度，采用250 MHz天线探测深度可达到3米左右，但对100mm以下管线就有可能漏测。
         一般探测管线时采用350、500MHz双天线组合，或500、250MHz双天线组合。
1.3 时窗的设定
          适宜的时窗避免时窗设定过小而丢失管线异常，又不会过大降低垂向分辨率而影响异常的显示效果。时窗的设定可由公式：
                                                                                   w=3.4dmax/v 
          注：w(ns)为时窗；dmax目标深度；v(m/ns)介质波速估算时窗的大小，实际工作中以管线异常位于时窗内的中心偏下位置为最佳效果，结合不同天线的测深能力与管线分布特点，当目标管线埋深1.5米，周围介质电磁波波速为0.1m/ns时，估算时窗为51ns。因此，采用350MHz天线探测管线时，时窗一般设定为50 ns，如果周围介质波速较低并且目标管线埋深较大，时窗可适当增大，但最大不宜超过80 ns。

2 地下管线的探地雷达异常特征
         对于管线探测，探地雷达的反射波组主要从两方面进行识别解释。
         首先，反射波组的同相性形成同相轴是判别管线空间位置的重要标识，在管线探测的横向剖面上管线作为孤立的埋设物其反射波的同相轴为：当管线为圆形管道时为向下开口的抛物线呈伞形状；当为沟道式或管块时同相轴为有限平板，界面反射的中部为平板状，两端各为半支下开口抛物线。
         其次，电磁波在介质中传播特性决定了地下界面上下介质的物性差异越大，反射波越强，振幅越大，上下介质中波速大小决定反射波振幅方向，当从介电常数小波速大的进入介电常数大波速小的介质时，反射系数为负，即反射波振幅反向，反之，从波速小进入波速大的介质时反射系数为正，反射波幅与入射波同向。地下目标管线一般存在四层介质界面，即管线的内外各两层，反射波以上层内界面为例，非金属管线内上界面的反射波振幅较大，当内介质为水时，反射系数为负，反射波为反向；当内介质为气体时，反射系数为正，反射波为正向；金属管线由于金属内波速近似为零，反射波自然为反向，而且反射振幅特别强，同时反射信号以管线的外层界面为主，其它层面较弱。

3 应用建议
（1）因为管线周围介质物性随空间、时间变化的而变化，所以对目标管线的管线点探测应采用多条垂直剖面和多次重复观测的方法，并对成果进行综合对比分析之后确定管线点。作业时应注意选择有利于探地雷达工作<