探地雷達(dá)法在早期人防坑道檢測中的應(yīng)用研究

郭都城 邵繼喜

（廣州市市政工程試驗(yàn)檢測有限公司，廣東廣州 510520；廣東省裝配式地下結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510520）

0 引言

坑道人防工程在運(yùn)行中，由于受自然和人為因素的長期作用，其各部位結(jié)構(gòu)都逐漸出現(xiàn)老化或局部破損等病害，其安全性下降，使用功能的正常發(fā)揮受到影響[1]。由于人防坑道屬于隱蔽性工程，病害檢測的滯后性所引發(fā)的工程事故和地質(zhì)災(zāi)害也逐漸增多[2]。因此，急需對早期人防坑道病害進(jìn)行全面排查，評估人防工程中存在的安全隱患，為人防工程的養(yǎng)護(hù)及城市地下空間綜合開發(fā)利用提供依據(jù)。

坑道襯砌空洞是坑道的主要病害之一，會(huì)導(dǎo)致坑道滲漏水、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等問題[3-5]。為準(zhǔn)確探測坑道襯砌空洞病害，許多研究者已經(jīng)采用了不同的方法進(jìn)行研究[6]。如早期的坑道結(jié)構(gòu)缺陷檢測多采用鉆孔取芯法，但鉆孔取芯對襯砌支護(hù)系統(tǒng)具有破壞性且難以進(jìn)行大批量抽樣檢測，少量成果也難以反映隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量[7]。而探地雷達(dá)法作為一種無損檢測方法，相比于超聲探測以及鉆孔驗(yàn)證，具有輕便、檢測效率高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[8]。但探地雷達(dá)檢測中受介質(zhì)電磁性干擾或介質(zhì)幾何形狀改變，容易發(fā)生誤判。此外，徐濤等[9]采用超聲橫波反射成像對襯砌脫空進(jìn)行探測，該方法適用于病害的精準(zhǔn)驗(yàn)證，對于大量的檢測工程而言效率偏低。綜合以上分析可知，單一的檢測方法很難對襯砌病害進(jìn)行精準(zhǔn)判別和定位，也不能滿足坑道檢測效率需求。

因此，本文以位于廣州某地的早期坑道式人防工程為例，采用探地雷達(dá)典型缺陷圖像與鉆孔取芯相結(jié)合的方式，來闡述和驗(yàn)證利用探地雷達(dá)檢測早期人防工程襯砌質(zhì)量檢測的可靠性。

1 檢測原理與方法

探地雷達(dá)法是利用探地雷達(dá)的發(fā)射天線向人防工程襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)差異較大的介質(zhì)（如鋼筋、空洞、襯砌巖層等），就會(huì)產(chǎn)生反射電磁波，反射電磁波經(jīng)接收天線接收并記錄，當(dāng)雷達(dá)沿著人防工程襯砌結(jié)構(gòu)的測線進(jìn)行移動(dòng)，接收天線會(huì)不斷接收反射電磁波，生成反射電磁波的走時(shí)成像[10]。當(dāng)發(fā)射電磁波遇到襯砌中的鋼筋、鋼架等，將出現(xiàn)強(qiáng)反射并反映在剖面的走時(shí)圖像上；當(dāng)發(fā)射電磁波遇到襯砌空洞和不密實(shí)區(qū)域，與密實(shí)的襯砌混凝土部位相比，反射電磁波會(huì)發(fā)生相位與幅度的變化；當(dāng)發(fā)射電磁波遇到襯砌與巖層的交接界面時(shí)，電磁波剖面的走時(shí)圖像也會(huì)有一定的規(guī)律變化，因此可根據(jù)反射電磁波剖面的走時(shí)圖像來分析判斷人防工程襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷。若對電磁波波速在襯砌結(jié)構(gòu)中的傳播速度進(jìn)行標(biāo)定，可結(jié)合電磁波的雙程時(shí)間計(jì)算出襯砌結(jié)構(gòu)厚度和襯砌內(nèi)部缺陷的深度，再結(jié)合探地雷達(dá)的位置定位，精確定位襯砌內(nèi)部構(gòu)造和缺陷。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

廣州的某早期坑道式人防工程建于20世紀(jì)70年代，總長820m，拱頂混凝土襯砌設(shè)計(jì)厚度45cm，少部分襯砌結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，其余為素混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為25MPa，坑道斷面寬度2.5m，高度3.5m。

2.2 檢測設(shè)備與設(shè)置

本次檢測選用了500MHz屏蔽天線的探地雷達(dá)，采樣點(diǎn)400，采集時(shí)間50ns，自動(dòng)迭加8次，采用距離觸發(fā)連續(xù)掃測，采樣間隔0.02m，有效探測深度1.0m，探測精度2.5cm。沿人防坑道縱向布置3條測線，拱頂?shù)腄測線、左拱腰的L測線、右拱腰的R測線，具體布設(shè)見圖1。在拱頂有阻礙的里程段范圍，拱頂D測線將向右拱腰R測線偏移，兩條拱腰測線則下移L測線（輔）和R測線（輔）。同時(shí)使用工程鉆機(jī)對雷達(dá)檢測的病害區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯驗(yàn)證。

圖1 測線布置

2.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與典型圖像解釋

數(shù)據(jù)處理包括消除隨機(jī)噪聲、壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動(dòng)時(shí)變增益或控制增益，以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進(jìn)行濾波處理除去不需要的低頻和高頻信號，突出目標(biāo)體，降低背景噪聲和余振影響[11]。由于檢測工作中雷達(dá)剖面圖較多，本文中選取一張典型測試圖像進(jìn)行分析，分析圖像見圖2。

圖2 拱頂測線探測結(jié)果

從圖中剖面可明顯分出三個(gè)不同的水平層：

第一層反射波同相軸一致且平整，但各處厚度不同，顯示為襯砌混凝土厚度。

第二層反射波同相軸多數(shù)不一致，回波能量隨介質(zhì)密度減小而減小且有一定的異向雜波干擾，顯示為混凝土與圍巖交界，層厚分布不均，襯砌厚度發(fā)生不均勻變化，總體在31~54cm之間，剖面中有空洞反射波形，顯示深度在28cm左右。

第三層回波能量減弱，但反射波相軸基本一致，顯示為完整巖石段。

2.4 探地雷達(dá)與鉆孔取芯的檢測結(jié)果分析

鉆孔取芯檢測中，對雷達(dá)探測的疑似病害區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。與上文對比分析可知，該檢測段襯砌設(shè)計(jì)厚度45cm，利用取芯按照0.5m間距布置鉆孔，共鉆4個(gè)驗(yàn)證孔，空洞最薄處混凝土厚度32cm，空洞徑向最大尺寸36cm，空洞位置襯砌混凝土厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，鉆孔取芯結(jié)果見圖3。通過觀察現(xiàn)場鉆孔取芯的過程，發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)循環(huán)水大量流失，說明空洞背后已經(jīng)形成導(dǎo)水通道。

對整個(gè)檢測段的探地雷達(dá)探測結(jié)果與鉆孔取芯結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。部分區(qū)域內(nèi)拱頂襯砌厚度不滿足原來的設(shè)計(jì)要求，空洞等病害較多，通過對兩種測試方法的對比可知，兩種測試結(jié)果具有較好的一致性。

圖3 鉆孔取芯結(jié)果

表1 探地雷達(dá)與鉆孔取芯的檢測結(jié)果對比

3 結(jié)論

結(jié)合早期人防坑道襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合采用探地雷達(dá)法和鉆孔取芯對襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測，取得了較好的效果，通過上述應(yīng)用研究得到以下結(jié)論：

（1）探地雷達(dá)用于坑道襯砌的檢測，能夠識別出襯砌結(jié)構(gòu)中的鋼筋、鋼拱架等信息，可以快速準(zhǔn)確判別空洞、脫空、襯砌厚度不足等病害。探地雷達(dá)法可作為早期人防坑道襯砌病害檢測的一種快速普查方法。

（2）探地雷達(dá)與鉆孔取芯試驗(yàn)結(jié)果的對比表明，兩種方法在襯砌厚度與空洞病害的探測驗(yàn)證結(jié)果具有較好的一致性。

（3）現(xiàn)場取芯結(jié)果表明，襯砌背后的空洞已形成導(dǎo)水通道，外觀直接表現(xiàn)為滲水、滲泥、結(jié)晶。鉆孔取芯法具有檢測直觀、可靠的特點(diǎn)，可作為雷達(dá)探測的補(bǔ)充手段。