探地雷達技術在港工建筑物檢測中的應用

朱鵬瑞，劉紅彪＊，齊方利，張路剛，譚林懷

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋石油船舶中心，山東 龍口 265700)

港工建筑物檢測中通常遇到圖紙缺失或面層下方存在空洞等問題，為了探明結構型式或探查面層下方隱患，需要采取合適的探測手段。人工錐探、機械鉆探等傳統有損物探方式效率較低，結論具有局限性，同時對建筑物造成一定的損傷，因此，需要甄選對港工建筑物結構無損傷且高效快捷的檢測技術。

探地雷達是一種通過電磁波在地下探測物體的工具，可以在不破壞地表的情況下獲取地下物質的位置、形狀、大小、深度等信息。由于操作簡便、高效快捷且能夠實現大面積連續掃描的優點，探地雷達技術在水文地質、采礦勘探、公路鐵路、建筑和市政等多個領域在獲得了廣泛的應用。本文將探討探地雷達技術在港工建筑檢測方面的應用。

1 工作原理

探地雷達技術本質為一種高頻電磁波的發射與接收技術，利用發射天線向目標介質體發射不同頻率的電磁波，反射回來的電磁波被接收天線接收，從而探明目標體結構。不同的介質具有差異的電磁性質，即具有差異的介電常數，這決定了電磁波在不同介質中的傳播速度不同。在電磁波在介質中傳播的過程中，當遇到具有電差異的介質（如裂紋、非致密區域、空隙、不同材料等）時，會發生反射。處理分析接收到的電磁波，基于波形、強度和雙向傳播時間等參數來推斷介質的空間位置、結構、電特性和幾何形狀。一般自然界中每種物質的電磁特性是不同的，即使同一種物質由于其含水量和顆粒孔隙度而具有不同的電磁反射特性。電磁波在地下介質中傳播時，會出現連續的反射和透射現象，這取決于目標介質與周圍介質的介電屬性的差異；同時伴隨著不同程度的衰減，它通過波形的特征反映出來。在電磁波“發射-發射-接收”的整個過程中，地下介質可以看作是一組復雜的濾波器。濾波后，發射的電磁波會出現振幅變化、頻率下降、相位變化和反射時間變化。最后，通過解釋和判斷這些反射波形的運動學和動力學特征，可以推斷目標物體并建立地下物質的結構模型。

圖1 探地雷達探測工作示意圖

2 圖像判釋

探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形或灰度顯示探測雷達剖面圖。根據地質雷達剖面圖，排除干擾波的影響，判斷和解釋目標物體的各種信息，是探地雷達技術的核心工作。總結主要探測目標體的雷達反應圖像特征如下：理想情況下完整均一的巖體電性差異很小，沒有明顯的反射界面，因此電磁波不會存在特別明顯的反射信號。實際情況由于巖體的各向異性、風化現象以及含水率等復雜因素影響，信號反射，因此雷達剖面圖上會存在微弱的中高頻電磁波反射信號。

混凝土澆筑密實，其電性差異很小，電磁波基本沒有明顯的反射信號，其反射波幅度較弱，甚至接收不到顯著的反射信號。如果混凝土不密實，會在襯砌界面發生強烈的反射信號，雷達剖面圖同相軸上以繞射弧形狀態分散存在。

如果存在較大的空洞，電磁波會在襯砌界面會產生很強的反射信號，雷達剖面圖瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率變化明顯，在空洞下方仍有強反射界面信號，先后到達的兩組信號存在較大的時程差。

如果探測到鋼架，其在雷達剖面圖上會形成月牙狀的強反射信號，如果探測到鋼架鋼筋或鋼筋網，雷達剖面圖則呈現出連續的小雙曲線形反射信號。

3 在無圖紙港工建筑物型式檢測中的應用

以嘉興南方水泥公司為例，其碼頭建設年代久遠，在多方移交中存在竣工資料丟失的情況，依據《水運工程港工建筑物檢測與評估技術規范》（JTS 304-2019），需選擇控制性斷面進行安全性復核驗算，擬用瑞典RAMAC/GPR ProEx 型數字探地雷達對碼頭進行型式檢測，由于不同頻率天線的測深能力不同，頻率越低，探測深度越大，選用100MHz 屏蔽天線進行探測。碼頭臨水面探測見圖2 所示。

圖2 探地雷達在碼頭臨水面探測

對實測的探地雷達記錄，使用RAMAC GroundVision 二維數據處理軟件，進行靜校正、去直流漂移、能量增益、帶通濾波、時深轉換等一系列處理后，獲得探地雷達剖面圖[3]。典型成果見圖3。

圖3 典型雷達剖面圖

在探測范圍內，豎向可見3 層結構，表層層底埋深約2.0～2.1m，推測為混凝土與漿砌塊石的物性分界；第二層層底埋深約8.5～9.3m，推測為混凝土擋墻（或砌石）下邊界；下伏層為原狀土層。混凝土擋墻（或砌石）上部寬約1.5m，下部寬約2.0～2.5m。

碼頭結構推測斷面示意見圖4，單純的物探的解釋結果具有多樣性，因此結合地質勘探對推測斷面進行驗證。在碼頭前沿面層進行鉆孔探測，各層物理性質分界面與探地雷達探測高度較吻合，精確度在80%以上。

圖4 碼頭結構斷面示意

4 探地雷達在隱蔽工程缺陷探測中的應用

東營勝利港碼頭防波堤長2350m，寬30m，因長期受海水沖刷，已經出現脫空、塌陷等不良地質情況，由于地質鉆探采樣點有限，極易漏掉不良區段，留下安全隱患，因此需要利用探地雷達對面層下方的隱蔽工程進行全面的探測。以管廊北側擋浪墻為邊線向南依次布設檢測線6 條測線，典型成果圖見圖5 與圖6。

圖5 無缺陷探地雷達剖面圖

圖6 病害探地雷達剖面圖

如圖5 所示，此測線電磁波同相軸較連續，未見明顯異常反映，因此本區域未存在明顯缺陷。

如圖6 所示，此測線電磁波同相軸不連續，出現明顯的夾層反射，推測此區域已經出現脫空情況，深度范圍1.0m—1.5m 左右。

5 結束語

探地雷達技術在港工建筑物檢測領域具有良好的適用性。依據行業規范開展港工建筑物的檢測與評估，建議無圖紙碼頭安全評估時通過地質勘察結合探地雷達探測等技術手段，獲取碼頭工程地質狀況和碼頭結構斷面。對于港工建筑物隱蔽工程缺陷的探測，通過探地雷達向面層下方發射電磁波探明。