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地下管线探测中探地雷达的应用
探地雷达是如今被广泛应用的电磁技术，它应用的范围极广，在城市地下管线探测过程中它不仅能够用来探测金属管线，还能用来探测聚氯乙烯管（PVC）、聚乙烯塑料管（PE）、水泥管等非金属管线，具有许多以前管线探测仪器所不具备的优点。本文通过结合工程实例来探讨探地雷达在地下管线探测中的广泛应用。
关键词：地下管线；探地雷达技术；应用
引言
探地雷达是一种对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术，同时它以探测的高分辨率和高工作效率而成为地球物理勘探的一种有力工具。随着城市建设的加快，使得地下管道路线变得日益复杂。因此，要想更好地对地下管道进行探测，这就必须要使用高分辨率的探测技术，才能适应当前复杂的地下管道探测情况，而具有高分辨率的探地雷达技术能够胜任这一挑战，能够更好地对深浅地质问题进行深入探测。
1、地下管线探测现状
1.1城市管线铺设情况
当今，城市的地下埋藏着无数的地下管线，是城市运转的命脉组成部分而且随着城市的不断发展，其埋设环境的复杂度日益提升，导致地下管线探测难度的直线上升。以佛山市中心城区为例，其各条主干道均铺设有电力、通信、天然气、自来水、排水等各类生活配套管线。随着市区房地产项目的开发，道路上铺设的管线数量越来越多、管线的管径越来越大、管线的走向也越来越复杂，对城市管线探测提出了更高的要求，特别是近年来非金属材质管线的铺设为管线探测带来了新的难题，见表1。
1.2常规地下管线探测方法
在城市地下管线探测中，电磁法是最常用的地下管线探测方法，对应的管线探测仪比较常用的有雷迪RD8000、富士PL1000等型号，一般由发射机和接收机两部分组成。电磁法探测地下管线的原理是通过发射机在目标管线上加载电流，然后利用接收机在目标管线上方感应磁场产生电流信号，根据电流的强弱来判断管线的位置和埋深等信息，在目标管线上加载电流可以采用直连法、感应法和夹钳法等，一般需根据现场实际情况采用不同的方法来探测管线。
电磁法探测管线需要在目标管线上加载和传递电流，因此要求目标管线需是金属等导电材质，而对于非金属管线来说，它不具备导电的性质，使用电磁法探测就失去了效果。随着城市非金属材质地下管线的铺设越来越常见，传统的金属管线探测仪已不能满足地下管线探测的要求，而探地雷达技术作为新的探测手段，能够完成非金属管线的探测工作，弥补了金属探测仪的不足。
1.3探地雷达原理及应用
（1）探地雷达原理
探地雷达一般由便携式计算机、主机、天线、电源及其他附件组成通过天线发射和接收高频电磁波信号，然后经过主机的处理，由便携式计算机将结果显示出来，如图1所示。探地雷达所发射的高频电磁波信号由紧贴地面的发射天线发出后，穿过土壤等介质到达目标管线时，因土壤和管线材质的导电性存在差异，部分电磁波信号会被反射至地面被天线接收，然后雷达主机将天线接收到的信号处理后以图像的形式显示出来，即可以根据图像来判断目标管线的位置等信息。
（2）探地雷达用于管线探测
①探测方法
探地雷达探测地下管线前首先需要搜集目标管线周围的管线资料，依据现有资料对目标管线位置进行初步判断；然后需要在目标管线疑似位置布设合适的测线，在各条测线上采集探地雷达探测的数据；最后依据探测得到的图像对目标管线的位置和埋深进行判断。
在布设测线时，测线方向应垂直于目标管线的可能走向，测线长度以覆盖目标管线可能的分布位置为宜，至少应包括目标管线两侧各2m范围。测线位置应选择在平坦地面上，地面无金属物和障碍物，尽量选择泥土及方砖地面，避开沥青地面。测线应布设多条，若探测结果已可准确判断目标管线，则无须更多测线，如果探测结果不能确定，则需布置多条邻近测线进行综合判断，如图2所示。
②管线位置及埋深判断
以如图3所示对应的管线为例，目标管线的平面位置即为该图像上抛物线的最高点所在位置，在探测时，遇到的多为圆柱形管线，当探地雷达经过圆柱形管线时，电磁波的回波信号呈现为抛物线的形状，管线的中央位置离地面距离最近，因此抛物线的顶端所在位置即为管线位置。另外，管线的埋深也取决于抛物线最高点对应的深度，但探地雷达图像上纵轴一般对应的是电磁波信号传递的准确时间，还需准确判断电磁波在目标管线周围土壤等介质中的传播速度才可获取管线的准确埋深，但往往土壤中的介质是不均匀的，电磁波在其中的传播速度也没有统一的计算模型。目前在实际探测工作中采用的方法一般为对比测量法，即先获取目标管线附近已知埋深为hi的管线的雷达图像，然后通过如下公式计算目标管线的准确埋深
图5 旱地中采集的探地雷达图像
（2）无效案例
通过多次的探测实践，笔者发现探地雷达在一些情况下效果是不明显的。如图5所示，该探地雷达图像是在夏季的旱地中采集的，现场实际存在一条埋深为1.8m，管径为2m的排污管线，在确定探地雷达不存在故障的前提下，经多条测线的重复探测，探测结果始终如图5所示，没有明显的回波信号，无法判断管线所在位置，探地雷达失去了效果。据分析，因此时旱地中土壤含水量较高，且比较疏松，其对电磁波的吸收比较明显，探地雷达天线无法接收到目标管线反射的电磁波信号，导致无法从对应图像中判断目标管线位置。可见，土壤环境对探地雷达的探测效果会有较大影响。
1.5土壤含水率对探地雷达探测效果影响
通过对探地雷达无效案例的分析，笔者发现土壤的含水率的大小决定了探地雷达探测管线的效果，含水量较高的土壤或是在雨量较多的季节，探地雷达探测管线的效果较差，不易获取目标管线的有效信息。反之，土壤较为干燥的情况下，其对电磁波的吸收较少，探地雷达的效果较好。
探地雷达发射高频电磁波进行探测时，土壤等介质的对电磁波的吸收系数β与电导率σ成正比，即
式中，ti表示已知管线在探地雷达图像上对应的传播时间；H为目标管线的埋深；T为目标管线对应探地雷达图像上的传播时间。
2、结束语
综上所述，在城市的不断发展中，地下管线的数量在不断增长，其埋设环境也更加复杂，对地下管线的探测提出了更高要求。因此，为了能够更好地促进探地雷达技术在地下管线的运用，我们就必须要对探地雷达技术工作原理进行深入探讨，同时对相应的探测方法进行运用，才能更为灵活地运用探地雷达技术，使得更好地运用在地下管道探测中去。
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