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【摘 要】地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布,其探测能力优于例如管线探测仪等使用普通电磁波的探测类仪器,在地下管缆探测、地下埋设物探测、公路地基检测等方面有着广泛的应用.文章通过介绍地质雷达的探测原理,并结合工程实例分析探地雷达在探寻地下障碍物应用中的有效性.
【关 键 词】地质雷达；电磁波；地下障碍物勘察
1.引言
工程施工中经常遇到地下管线、防空洞等地下障碍物,不但影响工程进度,而且施工中不慎破坏了地下管线,还会带来严重的经济损失,因此探测确定地下管线、防空洞等地下障碍物的位置、大小和埋深,为跨越或避开地下障碍物提供依据,减少破坏管线事故的发生,保证工程施工的顺利进行,具有实际意义.
2.地质雷达探测原理
地质雷达是利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式[1],由地面通过天线Tx送入地下,经地下地层或目的体反射后返回地面,为另一天线Rx所接收（图1）.
脉冲波行程需时：.当地下介质中的波速v为已知时,可根据测到的精确的t值（ns）.由上式求出反射体的深度（m）.式中x（m）值在剖面探测中是固定的：v值（m/ns）可以用宽角方式直接测量,也可以根据近似算出（当介质的导电率很低时）,其中c为光速（c等于0.3m/ns）,为地下介质的相对介电常数值,后者可利用现成数据或测定获得.
根据几何光学的反射规律对管状体（圆形剖面）进行反射波的走时x-t关系计算[2],见图2（a）.设天线（发射和接收天线合二为一）位于A处,管顶距地面为h,管径为D,A点到反射点R的距离为y,由波的传播规律得：
由分析过程和计算结果可知,地下管线反射的走时同相轴呈双曲线形态,且正对双曲线顶峰下方就是管线顶部所在位置.
3.地质雷达应用于地下障碍物探测的前提
从地质雷达工作的基本原理可知,地质雷达能够探测地下管线等地下障碍物的基本条件是地下管线与周围介质存在电性和物性差异,且差异越大效果越明显[3].常见的地下管线材料为金属、混凝土或塑料PVC等,而地下管线周围的介质多为岩石、砂土、黏土等.表1列举了以上几种材料和介质的电性和物性参数,可以看出地下管线与周围介质的电性和物性差异较大,能够产生较明显的反射波.
影响地质雷达探测效果的另一个物性参数是电导率.在地质雷达的工作频率范围内,介质的吸收系数同电导率成正比,即.介质电导率在不同地段和不同季节差别往往很大.如果以s等于l/β定义穿透深度,则当εr等于14,σ等于0.002（ρ等于500Ωm）,天线中心频率为40MHz时,穿透深度约为l0m,而当σ等于0.02（ρ等于50Ωm）,天线中心频率为400MHz时,穿透深度仅为lm.因此当介质电阻率很小时,反射波在其反射路径上的衰减很大,接收天线所接收的地下管线界面反射波信号就会很弱,甚至没有.如果部分剖面在地下管线埋设部位探测不到目标异常,原因即在于此.
在实际工作中发现,在有些地段地下介质的电性差异变化很大.有时将剖面位置稍作移动,地质雷达记录就会发生很大的变化；有些剖面记录,受到周围介质不均匀或干扰物的影响,目标管线异常形态不规整[4].经验表明,改变剖面位置,多做几条剖面,选择其中管线最清晰规整的剖面作为解释剖面是十分必要的.这将有利于提高剖面记录的有效性和解释结果的可靠性.
4.地质雷达数据处理
为了确定地下障碍物的位置与埋深,需要对采集的地质雷达原始数据进行处理,地质雷达数据处理的基本步骤如图3：
5.在实际中的应用
某城市在地铁修建前期进行的勘探中,为防止地质钻探破坏城市地下管线,主干道上的钻孔在钻探之前需进行钻孔管线探测,下面就对探测中取得的典型雷达记录图像进行分析研究.
从图4可以看出,煤气管道与军用光缆在雷达记录图像上有明显的雷达反射波出现,而且有多次反射出现,多次反射的间距与管径成明显的正比关系,管径越大,其多次波的间距越大,出现的多次波数越少；反之,管径越小,其多次波的间距越小,出现的多次波次数越多.多次波的走时差距恰好是管径的反映.
电力高压线由金属材质构成,因此介电常数大,导电能力强,衰减极大.如图5所示,在地质雷达图像上反映出反射波振幅非常强,信号强度大,金属管顶反射出现极性反转,基本上没有多次反射波.
6.结论
通过理论研究及工程实例应用分析,我们可以得出如下结论：
（1）探地雷达在探寻地下障碍物中有良好的勘探效性.
（2）地下管线等地下障碍物在水平地面的投影位置可由其在地质雷达记录图像上双曲线同相轴的极小点来确定,双曲线的极小点中心位置就是管线的中心位置.
（3）根据地质雷达记录图像上双曲线同相轴的极小点的初至相位时间及相应介质的传播速度可计算出地下管线的管顶埋深.