探地雷達法在早期人防坑道檢測中的應用研究

郭都城 邵繼喜

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東廣州 510520；廣東省裝配式地下結構檢測與監測工程技術研究中心，廣東廣州 510520）

0 引言

坑道人防工程在運行中，由于受自然和人為因素的長期作用，其各部位結構都逐漸出現老化或局部破損等病害，其安全性下降，使用功能的正常發揮受到影響[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的工程事故和地質災害也逐漸增多[2]。因此，急需對早期人防坑道病害進行全面排查，評估人防工程中存在的安全隱患，為人防工程的養護及城市地下空間綜合開發利用提供依據。

坑道襯砌空洞是坑道的主要病害之一，會導致坑道滲漏水、結構強度降低等問題[3-5]。為準確探測坑道襯砌空洞病害，許多研究者已經采用了不同的方法進行研究[6]。如早期的坑道結構缺陷檢測多采用鉆孔取芯法，但鉆孔取芯對襯砌支護系統具有破壞性且難以進行大批量抽樣檢測，少量成果也難以反映隧道襯砌結構整體質量[7]。而探地雷達法作為一種無損檢測方法，相比于超聲探測以及鉆孔驗證，具有輕便、檢測效率高、分辨率高等優點[8]。但探地雷達檢測中受介質電磁性干擾或介質幾何形狀改變，容易發生誤判。此外，徐濤等[9]采用超聲橫波反射成像對襯砌脫空進行探測，該方法適用于病害的精準驗證，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行精準判別和定位，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，采用探地雷達典型缺陷圖像與鉆孔取芯相結合的方式，來闡述和驗證利用探地雷達檢測早期人防工程襯砌質量檢測的可靠性。

1 檢測原理與方法

探地雷達法是利用探地雷達的發射天線向人防工程襯砌結構內部發射高頻脈沖電磁波，當遇到相對介電常數差異較大的介質（如鋼筋、空洞、襯砌巖層等），就會產生反射電磁波，反射電磁波經接收天線接收并記錄，當雷達沿著人防工程襯砌結構的測線進行移動，接收天線會不斷接收反射電磁波，生成反射電磁波的走時成像[10]。當發射電磁波遇到襯砌中的鋼筋、鋼架等，將出現強反射并反映在剖面的走時圖像上；當發射電磁波遇到襯砌空洞和不密實區域，與密實的襯砌混凝土部位相比，反射電磁波會發生相位與幅度的變化；當發射電磁波遇到襯砌與巖層的交接界面時，電磁波剖面的走時圖像也會有一定的規律變化，因此可根據反射電磁波剖面的走時圖像來分析判斷人防工程襯砌結構內部的構造和缺陷。若對電磁波波速在襯砌結構中的傳播速度進行標定，可結合電磁波的雙程時間計算出襯砌結構厚度和襯砌內部缺陷的深度，再結合探地雷達的位置定位，精確定位襯砌內部構造和缺陷。

2 工程應用

2.1 工程概況

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

2.2 檢測設備與設置

本次檢測選用了500MHz屏蔽天線的探地雷達，采樣點400，采集時間50ns，自動迭加8次，采用距離觸發連續掃測，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，拱頂的D測線、左拱腰的L測線、右拱腰的R測線，具體布設見圖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）。同時使用工程鉆機對雷達檢測的病害區域進行鉆孔取芯驗證。

圖1 測線布置

2.3 雷達數據處理與典型圖像解釋

數據處理包括消除隨機噪聲、壓制干擾，改善背景；進行自動時變增益或控制增益，以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去不需要的低頻和高頻信號，突出目標體，降低背景噪聲和余振影響[11]。由于檢測工作中雷達剖面圖較多，本文中選取一張典型測試圖像進行分析，分析圖像見圖2。

圖2 拱頂測線探測結果

從圖中剖面可明顯分出三個不同的水平層：

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不一致，回波能量隨介質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 探地雷達與鉆孔取芯的檢測結果分析

鉆孔取芯檢測中，對雷達探測的疑似病害區域進行驗證。與上文對比分析可知，該檢測段襯砌設計厚度45cm，利用取芯按照0.5m間距布置鉆孔，共鉆4個驗證孔，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不到設計要求，鉆孔取芯結果見圖3。通過觀察現場鉆孔取芯的過程，發現鉆機循環水大量流失，說明空洞背后已經形成導水通道。

對整個檢測段的探地雷達探測結果與鉆孔取芯結果進行對比，結果如表1所示。部分區域內拱頂襯砌厚度不滿足原來的設計要求，空洞等病害較多，通過對兩種測試方法的對比可知，兩種測試結果具有較好的一致性。

圖3 鉆孔取芯結果

表1 探地雷達與鉆孔取芯的檢測結果對比

3 結論

結合早期人防坑道襯砌結構特點，綜合采用探地雷達法和鉆孔取芯對襯砌質量進行檢測，取得了較好的效果，通過上述應用研究得到以下結論：

（1）探地雷達用于坑道襯砌的檢測，能夠識別出襯砌結構中的鋼筋、鋼拱架等信息，可以快速準確判別空洞、脫空、襯砌厚度不足等病害。探地雷達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）探地雷達與鉆孔取芯試驗結果的對比表明，兩種方法在襯砌厚度與空洞病害的探測驗證結果具有較好的一致性。

（3）現場取芯結果表明，襯砌背后的空洞已形成導水通道，外觀直接表現為滲水、滲泥、結晶。鉆孔取芯法具有檢測直觀、可靠的特點，可作為雷達探測的補充手段。