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地下管線探測中探地雷達的應用
探地雷達是如今被廣泛應用的電磁技術，它應用的范圍極廣，在城市地下管線探測過程中它不僅能夠用來探測金屬管線，還能用來探測聚氯乙烯管（PVC）、聚乙烯塑料管（PE）、水泥管等非金屬管線，具有許多以前管線探測儀器所不具備的優點。本文通過結合工程實例來探討探地雷達在地下管線探測中的廣泛應用。
關鍵詞：地下管線；探地雷達技術；應用
引言
探地雷達是一種對地下或物體內不可見的目標體或界面進行定位的電磁技術，同時它以探測的高分辨率和高工作效率而成為地球物理勘探的一種有力工具。隨著城市建設的加快，使得地下管道路線變得日益復雜。因此，要想更好地對地下管道進行探測，這就必須要使用高分辨率的探測技術，才能適應當前復雜的地下管道探測情況，而具有高分辨率的探地雷達技術能夠勝任這一挑戰，能夠更好地對深淺地質問題進行深入探測。
1、地下管線探測現狀
1.1城市管線鋪設情況
當今，城市的地下埋藏著無數的地下管線，是城市運轉的命脈組成部分而且隨著城市的不斷發展，其埋設環境的復雜度日益提升，導致地下管線探測難度的直線上升。以佛山市中心城區為例，其各條主干道均鋪設有電力、通信、天然氣、自來水、排水等各類生活配套管線。隨著市區房地產項目的開發，道路上鋪設的管線數量越來越多、管線的管徑越來越大、管線的走向也越來越復雜，對城市管線探測提出了更高的要求，特別是近年來非金屬材質管線的鋪設為管線探測帶來了新的難題，見表1。
1.2常規地下管線探測方法
在城市地下管線探測中，電磁法是最常用的地下管線探測方法，對應的管線探測儀比較常用的有雷迪RD8000、富士PL1000等型號，一般由發射機和接收機兩部分組成。電磁法探測地下管線的原理是通過發射機在目標管線上加載電流，然后利用接收機在目標管線上方感應磁場產生電流信號，根據電流的強弱來判斷管線的位置和埋深等信息，在目標管線上加載電流可以采用直連法、感應法和夾鉗法等，一般需根據現場實際情況采用不同的方法來探測管線。
電磁法探測管線需要在目標管線上加載和傳遞電流，因此要求目標管線需是金屬等導電材質，而對于非金屬管線來說，它不具備導電的性質，使用電磁法探測就失去了效果。隨著城市非金屬材質地下管線的鋪設越來越常見，傳統的金屬管線探測儀已不能滿足地下管線探測的要求，而探地雷達技術作為新的探測手段，能夠完成非金屬管線的探測工作，彌補了金屬探測儀的不足。
1.3探地雷達原理及應用
（1）探地雷達原理
探地雷達一般由便攜式計算機、主機、天線、電源及其他附件組成通過天線發射和接收高頻電磁波信號，然后經過主機的處理，由便攜式計算機將結果顯示出來，如圖1所示。探地雷達所發射的高頻電磁波信號由緊貼地面的發射天線發出后，穿過土壤等介質到達目標管線時，因土壤和管線材質的導電性存在差異，部分電磁波信號會被反射至地面被天線接收，然后雷達主機將天線接收到的信號處理后以圖像的形式顯示出來，即可以根據圖像來判斷目標管線的位置等信息。
（2）探地雷達用于管線探測
①探測方法
探地雷達探測地下管線前首先需要搜集目標管線周圍的管線資料，依據現有資料對目標管線位置進行初步判斷；然后需要在目標管線疑似位置布設合適的測線，在各條測線上采集探地雷達探測的數據；最后依據探測得到的圖像對目標管線的位置和埋深進行判斷。
在布設測線時，測線方向應垂直于目標管線的可能走向，測線長度以覆蓋目標管線可能的分布位置為宜，至少應包括目標管線兩側各2m范圍。測線位置應選擇在平坦地面上，地面無金屬物和障礙物，盡量選擇泥土及方磚地面，避開瀝青地面。測線應布設多條，若探測結果已可準確判斷目標管線，則無須更多測線，如果探測結果不能確定，則需布置多條鄰近測線進行綜合判斷，如圖2所示。
②管線位置及埋深判斷
以如圖3所示對應的管線為例，目標管線的平面位置即為該圖像上拋物線的最高點所在位置，在探測時，遇到的多為圓柱形管線，當探地雷達經過圓柱形管線時，電磁波的回波信號呈現為拋物線的形狀，管線的中央位置離地面距離最近，因此拋物線的頂端所在位置即為管線位置。另外，管線的埋深也取決于拋物線最高點對應的深度，但探地雷達圖像上縱軸一般對應的是電磁波信號傳遞的準確時間，還需準確判斷電磁波在目標管線周圍土壤等介質中的傳播速度才可獲取管線的準確埋深，但往往土壤中的介質是不均勻的，電磁波在其中的傳播速度也沒有統一的計算模型。目前在實際探測工作中采用的方法一般為對比測量法，即先獲取目標管線附近已知埋深為hi的管線的雷達圖像，然后通過如下公式計算目標管線的準確埋深
圖5 旱地中采集的探地雷達圖像
（2）無效案例
通過多次的探測實踐，筆者發現探地雷達在一些情況下效果是不明顯的。如圖5所示，該探地雷達圖像是在夏季的旱地中采集的，現場實際存在一條埋深為1.8m，管徑為2m的排污管線，在確定探地雷達不存在故障的前提下，經多條測線的重復探測，探測結果始終如圖5所示，沒有明顯的回波信號，無法判斷管線所在位置，探地雷達失去了效果。據分析，因此時旱地中土壤含水量較高，且比較疏松，其對電磁波的吸收比較明顯，探地雷達天線無法接收到目標管線反射的電磁波信號，導致無法從對應圖像中判斷目標管線位置。可見，土壤環境對探地雷達的探測效果會有較大影響。
1.5土壤含水率對探地雷達探測效果影響
通過對探地雷達無效案例的分析，筆者發現土壤的含水率的大小決定了探地雷達探測管線的效果，含水量較高的土壤或是在雨量較多的季節，探地雷達探測管線的效果較差，不易獲取目標管線的有效信息。反之，土壤較為干燥的情況下，其對電磁波的吸收較少，探地雷達的效果較好。
探地雷達發射高頻電磁波進行探測時，土壤等介質的對電磁波的吸收系數β與電導率σ成正比，即
式中，ti表示已知管線在探地雷達圖像上對應的傳播時間；H為目標管線的埋深；T為目標管線對應探地雷達圖像上的傳播時間。
2、結束語
綜上所述，在城市的不斷發展中，地下管線的數量在不斷增長，其埋設環境也更加復雜，對地下管線的探測提出了更高要求。因此，為了能夠更好地促進探地雷達技術在地下管線的運用，我們就必須要對探地雷達技術工作原理進行深入探討，同時對相應的探測方法進行運用，才能更為靈活地運用探地雷達技術，使得更好地運用在地下管道探測中去。
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