摘要：我国城市建设日新月异，地下管线触及城市的各个角落，与人民生活息息相关。管线种类众多，构造复杂，材质不一，因此，市政建设和改造工程中地下管线探测工作的难度也不断加大，使得地下管线探测技术得到不断发展与进步。本文主要介绍地质雷达在地下管线探测中的具体应用分析。
引言
地下管线最初多以金属材质为主，因此利用电磁感应原理研制的金属地下管线探测仪得到了广泛普及。随着管线种类，用途的不断增多，砼制、塑料、橡胶等材质被广泛应用。在燃气、石油等易燃物输送管道，为防止因静电而引发安全事故，通常会加绝缘接头，导致电磁波无法沿金属管道传播。所以金属管线探测仪的探测能力被不断限制。随着地质雷达技术的不断发展成熟，在地下管线探测中起到了举足轻重的作用。
一、地质雷达的工作原理
地质雷达主机包括发射天线跟接收天线，当雷达系统利用发射天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。
二、探地雷达基本参数如下：
1、电磁波传播时间
（1）
式中：h—探测管线的埋深；x—发射、接收天线的距离（式中因h» x,故x可忽略）；v—电磁波的传播速度。
2、电磁波的传播速度
（2）
式中： c —电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）；εr—介质的相对介电常数，μr—介质的相对磁导率（一般μr≈1）
3、电磁波的反射系数
电磁波在传播过程中，当遇到介电常数变化明显的介质分界层时，电磁波会发生反射及透射现象，其中，分界层面的反射系数这一变量决定了电磁波反射及透射能量的分配。
（3）
式中：r—界面电磁波反射系数；ε1—首层介质的相对介电常数；ε2—次层介质的相对介电常数。
4、雷达记录时间和探测深度的关系
（4）
式中：h—探测管线的深度；t—雷达记录时间。
三、雷达电磁波的波相分析
1、判断地下管线准确埋深
图1
图1为地质雷达采集经软件处理之后的图像，箭头指示位置为典型抛物曲线，可以确定为地下管线。但是单纯依靠图1很难准确判断地下管线管顶埋深，存在较大误差。
以瑞典MALA地质雷达及Reflexw数据分析软件为例，打开“显示单道波形图”，会出现下图2所示“激活道”窗口，移动鼠标至雷达波抛物线顶端，使图2所示水平直线处于最上方切振幅最大波峰处，Reflexw软件右上角（图2红圈内）会显示该地下管线管顶准确埋深。
2.判断地下管线材质
地质雷达的发射的电磁波，当其向地下传播的过程中，遇到介质分界层面，由于各结构层介电常数、电导率的不同，引起电磁波发生反射和透射。反射波被接收天线所接收，传输到计算机，经过分析计算可以确定，波阻抗界面的反射系数的绝对值大小决定反射波振幅的大小，两层介质介电常数的大小决定反射波相位极性。
例如利用地质雷达探测公路结构层，雷达电磁波遇到第一层反射界面（即空气与地面）时，由于空气的介电常数小与地面层，由公式（3）可知，在该介质分界面产生一个负向脉冲。若地面层为沥青面，基层为干燥的黏土，基层介电常数比面层小，在该介质分界面也会产生一个正向脉冲。同理，若基层的介电常数小于垫层，那在该介质分界面就会产生一个负向脉冲。
图2 图3
基于此，假如我们知道常见地面层、地下填充物、地下管线材质的介电常数，即可通过分析单道雷达波相位正负，来判断地下管线材质属性。而且，不同材质介电常数差值越大，分界点处的波幅越大，雷达图像越清晰，所得结果越精确。
下表列出一些常见材质的介电常数
根据公式（4），在现场对已知管线进行探测，根据已知管线埋深h及雷达波反射时间t，求得现场土质介电常数。
如图1所示，箭头标记处为已知管顶埋深0.5米的φ700燃气管线，h= 0.5m，根据图3红圈所示为雷达波单程时间，即
t=10.714 ns
c = 0.29979m/ns，带入公式得
εr=2.535
即所探测区域土质的介电常数为2.535。
根据上表不同材质介电常数可知，电磁波遇到铁管，相位为正，遇到塑料管，相位正负不明显，遇到混凝土管及充水管道，相位为负。
对现场进行探测所得雷达图形进行分析，取管线位置单道雷达波，根据其相位正负，及上表所列不同材质介电常数，判断所探地下测管线材质。
图4 图5
图4单道波形图为雷达图像箭头标记处的雷达波，红色水平线处为该雷达波最强振幅处，该处相位为正，故可判断其为金属管线。现场实际开挖验证其为φ500的金属燃气管线。
图5单道波形图为雷达图像箭头标记处的雷达波，红色水平线处为该雷达波最强处振幅，该处相位为负，故可判断其为混凝土管线。现场实际开挖验证其为φ300混凝土雨水管线。
四、结语
目前地质雷达的运用还不够成熟，需要通过现场实际情况及工作经验协助来探测地下管线，尤其对于材质及管径测探测需要继续对加大研究力度，配合非开挖技术在现代市政工程中的应用。
参考文献
[1] 雷勤梅 市政管线的电磁探测方法研究与应用 成都理工大学硕士学位论文 2016
[2] 李大心 探地雷达方法与应用 北京：地质出版社 1994
[3] 姚显春，闫茂，吕高，等.2018.地质雷达探测地下管线分类判别方法研究.地球物理学进展，33（4）：1740-1747
论文作者:赵帅
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/28
标签：管线论文; 电磁波论文; 常数论文; 地下论文; 反射论文; 介质论文; 材质论文; 《基层建设》2019年第6期论文;