摘要：應(yīng)用RAMAC系列探地雷達(dá)進(jìn)行了地下管線探測的研究�；�于對城市地下管線周圍介質(zhì)環(huán)境的分析，設(shè)計(jì)了探地雷達(dá)的工作參數(shù)，對不同類型的地下管線進(jìn)行了探測，并就典型的管線異常特征進(jìn)行了分析。
　　關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)，地下管線，應(yīng)用
　　1.引言
　　地質(zhì)雷達(dá)（GroundPenetratingRadar，簡稱CPR）是采用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場強(qiáng)度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化，由此通過對時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)具有分辨率高、無損、操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于各種環(huán)境條件。
　　只要地下管線目標(biāo)與周圍介質(zhì)之間存在足夠的物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,因此在城市地下管線的探測中得到普遍應(yīng)用。本文采用瑞典瑪拉公司（MALAGEOSCIENCE）生產(chǎn)的RAMAC系列探地雷達(dá)，對無錫市某場地的地下管線進(jìn)行了探測，以確定地下管線的具體位置和走向。并且根據(jù)探測結(jié)果和實(shí)際開挖的對比研究，對典型的雷達(dá)測線平面異常特征進(jìn)行了分析。
　　2.方法簡介
　　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0.5m～5m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0.1m～1.5m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、塑料等。
　　探地雷達(dá)應(yīng)用的前提是，目標(biāo)管線體與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)和電磁波傳播的波速存在明顯差異。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,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。這些性質(zhì)通常能夠滿足探地雷達(dá)應(yīng)用的前提條件。
　　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。第一,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的拋物線。第二,電磁波在介質(zhì)中傳播特性反映了地下界面上下介質(zhì)的物性差異,該差異越大,反射波越強(qiáng),振幅越大;上下介質(zhì)中波速大小決定了反射波振幅方向,當(dāng)波從介電常數(shù)小波速大的介質(zhì)進(jìn)入到介電常數(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。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。
　　
　　圖1  RAMAC雷達(dá)主機(jī)和天線
　　3.探地雷達(dá)參數(shù)的確定
　　本次試驗(yàn)采用的探地雷達(dá)屬瑞典瑪拉公司（MALAGEOSCIENCE）的RAMAC系列（見圖1）。天線的中心頻率為（1001600）MHz，時(shí)窗范圍為0200ns，雷達(dá)脈沖寬度為0.510ns，脈沖間隔為11045104ns，脈沖幅值達(dá)100150V。雷達(dá)配有4套天線，以適應(yīng)不同介質(zhì)的探測要求。
　　采用的天線頻率以探測目標(biāo)管線深度和空間分辨率所決定。天線頻率按以下公式計(jì)算:
　　                （1）
　　其中，為空間分辨率（m），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)約為0.8m～2.0m之間,探測管徑在100mm以上。由公式計(jì)算天線頻率為400MHz。如果考慮更小管徑管線探測時(shí),可將天線頻率增高為500MHz,采用500MHz天線,雖分辨率有所提高,但一般情況下對1.5m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250MHz天線,探測深度可達(dá)到3m左右,但對100mm以下管線就有可能漏測。在本次探測中，綜合考慮管線直徑和探測深度，采用RAMAC系列250MHz頻率的屏蔽天線，其分辨率約為150mm，探測深度約為3m。采樣頻率設(shè)置為天線頻率的10倍左右，采樣點(diǎn)數(shù)為500左右。
　　4.地下管線的探測結(jié)果
　　4.1非金屬給水、燃?xì)夤艿喇惓５呐袆e
　　在無錫市管線普查過程中，金屬管線基本上用管線儀探測，但非金屬管道主要包括塑料(PVC)給水管、水泥(砼)給水管、（PVC）燃?xì)夤�，管線儀卻束手無策。在使用了RAMAC型地質(zhì)雷達(dá)后，有效地解決了這一難題。
　　圖2是水泥(砼)給水管和塑料(PVC)燃?xì)夤艿牡刭|(zhì)雷達(dá)圖像，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，其異常效果很明顯，反射波組的同相軸都是為向下開口的雙曲線，呈傘狀。根據(jù)異常形態(tài)，我們可以確定，雙曲線的中心位置即為管線的中心位置。另外，對比這兩條管線的異常我們也發(fā)現(xiàn)，雖然都是非金屬管線，但是它們的異常特征有很大的區(qū)別。給水管有明顯的多次波，根據(jù)反復(fù)的試驗(yàn)并結(jié)合給水管物理特性和反射波振幅特征我們發(fā)現(xiàn)，給水管最上面的異常為其管頂異常，下面兩個(gè)異常分別為給水管管底反射波和管底二次反射波；燃?xì)夤苤挥幸粋�(gè)管頂異常。根據(jù)圖像我們判斷該給水管距起點(diǎn)1.21m，埋深為0.54m左右，燃?xì)夤芫嗥瘘c(diǎn)3.18m，埋深為1.01m，經(jīng)現(xiàn)場開挖驗(yàn)證，給水管線平面誤差為0.03m，實(shí)際埋深為0.52m，誤差僅為0.02m；燃?xì)夤芷矫嬲`差為0.04m，實(shí)際埋深為0.97m，誤差為4cm。根據(jù)波速試驗(yàn)并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)圖像處理軟件判斷出給水管和燃?xì)夤苤睆椒謩e為600mm和300mm，結(jié)合其他勘測結(jié)果，經(jīng)驗(yàn)證這兩個(gè)估算還是很準(zhǔn)的。

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