雙頻探地雷達探測道路地下空洞的試驗與識別研究

吳永毅 WU Yong-yi；吳建良③ WU Jian-liang；胡良軍②④ HU Liang-jun；趙亞宇②④ ZHAO Ya-yu

（①廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣州 510520；②廣州建筑股份有限公司，廣州 510030；③湖南理工學院土木建筑工程學院，岳陽 414006；④廣東省裝配式地下結構檢測與監測工程技術研究中心，廣州 510520）

0 引言

隨著城市地下空間的開發強度增大，在施工擾動、管道滲漏等的影響下，城市地下空洞引發風險呈現上升趨勢。地下空洞坍塌對周邊造成嚴重的破壞，引發人員傷亡、通行車輛陷落、地下管線斷裂等安全風險。目前地下空洞檢測一般采用探地雷達，3D 雷達快速排查，發現地下空洞隱患后，采用二維雷達對局部細化排查、確認。

探地雷達探測地下病害一直是道路工程的研究熱點。目前相關規范給出了理想情況下地下空洞的探地雷達反射特征。在實際檢測中基于探地雷達識別地下病害對操作人員要求較高，存在較大概率的漏判風險。人工智能識別技術的發展對自動識別地下空洞有較大的推動作用，但需要較大數量的樣本庫，而實際檢測中往往檢測長達幾十公里的道路才可檢出1-2 處。雖可以通過仿真生成樣本，但通過檢測實際道路空洞采集樣本，仍舊無可替代。

本文通過建立道路地下病害實體模型，對典型的道路地下病害進行模擬，對多種工況下的道路地下空洞病害進行探地雷達檢測，通過對探地雷達圖像進行研究，掌握地下空洞病害的雷達反射特性，驗證模型試驗是否可行，為積累大量探地雷達識別地下空洞樣本提供基礎。

1 試驗模型

為降低道路及地下空洞的模擬難度，采用圍護墻加內部填充物的形式模擬道路及地下空洞，稱為“臥式道路模型”。“模型”的圍護墻墻體與道路結構相同，墻內采用砂土填充，砂土內可靈活設置空洞以模擬各種工況。模型的布置情況如圖1。

圖1 臥式道路模型

圖3 檢測現場

圖1 中，圍護墻體左側為圓弧狀，模型平面整體呈E形，平面包絡尺寸為8m×6.5m。圍護墻體包括：40cm 的水泥穩定碎石基層模擬層，6cm 的水泥混凝土路面模擬層。路面模擬層局部鑲嵌有2 處6cm×60cm×120cm 的瀝青混凝土板以模擬瀝青混凝土路面。

2 測試設備與方法

首先在模型內部填筑砂土、壓實，采用人工挖孔與預埋亞克力模型2 種方式設置模擬地下空洞。缺陷設置完成后，采用超聲波相控陣、雙頻探地雷達在模型維護墻表面進行檢測。

采用的試驗設備包括雙頻探地雷達、超聲波相控陣。雷達采用ImpulseRadar 生產的CO1760 型高動態雙頻探地雷達，天線的中心頻率為170MHz（LF）、600MHz（HF），工作時采樣點數為414 點。超聲波相控陣采用俄羅斯ACSYS 公司生產的MIRA A1040。

在模型右側區域的2 個墻角設置有2 處空洞，右上角為空洞1，空洞邊緣距離兩面墻的距離為1.0m；右下角為空洞2，空洞邊緣距離兩面墻的距離為0.7m。空洞1 正對2 處瀝青混凝土塊區域，空洞2 正對墻體為水泥混凝土路面區域。

綜合空洞與圍護墻間隔及圍護墻厚度，空洞1 的埋深為1.46m，空洞2 的埋深為1.16m。

首先采用超聲波相控在缺陷正對墻體處、完整墻體處進行測試。探地雷達與瀝青路面塊的中線平齊，勻速水平移動，每工況下雷達測試重復試驗3 次。

表1 檢測工況

3 試驗結果

3.1 超聲波相控陣

超聲波發射頻率采用50kHz，超聲波相控陣在不同位置測試典型結果如圖4。

圖4 超聲波相控陣測試結果

從測試結果看，瀝青塊處相控陣結果中有較多的高亮反射，顯示有較多的空隙與內部反射界面。水泥路面模擬區域因完整性較好，內部的高亮反射相對較少。

3.2 探地雷達檢測

探地雷達檢測時，測線圍繞墻體做連續檢測，每處空洞在2 面墻體各有一處成像。典型的整體檢測結果圖像如圖5。

圖5 工況2 的整體雷達圖

600MHz 測試頻率時，空洞典型的雷達成像圖圖6-圖8，圖中縱坐標為采用點數、橫坐標為采樣道數。

圖6 工況1 的空洞處600MHz 測試結果

圖7 工況2 的空洞處600MHz 測試結果

圖8 工況3 的空洞處600MHz 測試結果

工況3 下170MHz 測試頻率時，各個空洞典型的雷達成像圖如圖9。

圖9 工況3 的空洞處170MHz 測試結果

3.3 探地雷達檢測地下空洞的討論

從3.2 節可以看出，在600MHz 頻率下，探地雷達能夠識別出地下空洞，其雷達特征與日常檢測中發現地下空洞類似。說明以“臥式模型”模擬道路及地下空洞可行。

雷達反射圖中，未出現弧線形的墻背反射線，說明在較為松散的土體中，探地雷達的探測深度難以超過2.5m深度。

空洞2 處的墻面為整體澆筑而成，內部密實無不均勻，雷達反射波呈現較為明顯的“月牙形”，即同向軸為向下開口的拋物線。

將東側墻探測空洞2 時各工況缺陷中央的數據道提取出來，截取月牙形區域的數據段，匯總顯示如圖10。

圖10 東側墻探測空洞2 的雷達波單道圖

圖10 中“base”為無空洞位置的數據道數據，其余道數據在10、30 點附近有2 處峰值，峰值即為空洞的反射。

空洞1 處的雷達波反射圖形與空洞2 有明顯不同，“月牙形”拋物線同向軸較不連續，特別是在北側墻的成像“月牙形”較為零碎。

此外，空洞1 在“月牙形”回波的后續有一處較為明顯的雜波發射，這是空洞對側邊界反射雷達波導致。若在探地雷達檢測中發現“月牙形”拋物線同向軸回波后續有明顯雜波，一般揭示有較大尺寸的異常體。

空洞1 處典型的雷達探測單道圖如圖11，圖中數據為每道的第130-250 采集點數據。

圖11 東側墻探測空洞1 的雷達波單道圖

從圖11 中可以看出，在10-40 采集點區間內基準道的反射信號振幅變化較小，而空洞對應道的振幅波動較大。在40-60 采集點處4 道信號數據趨同。但60-90 采集點區間空洞對應道的振幅波動再次增大，該波形對應于空洞底面的反射，而非西側墻背的反射。

將工況3 四處空洞反射的波形匯總，圖像如圖12。

圖12 工況3 四處空洞反射雷達圖匯總

圖12 中，量取空洞1 下部反射帶的道寬度，量取空洞2“月牙形”同相軸后水平反射帶的道寬度，反射帶寬度分別為：564、565、276、280 道，與空洞的寬度成正比。因此，可以依據缺陷的反射帶寬度作為探測空洞寬度的依據。

4 結論

通過建造“圍護墻式”道路地下空洞模型，預設地下空洞，進行超聲波相控陣、雙頻探地雷達測試。通過實驗、數據分析，得出如下結論：

①采用臥式圍護墻模型可以方便地預設地下空洞，不破壞雷達波的探測環境，為后續更加廣泛的采集地下空洞的探地雷達樣本提供基礎。②600MHz 高頻雷達波可以識別出預埋2.0m 深度內的地下空洞，空洞周圍環境會對成像同相軸的形狀產生影響。③較大尺寸的空洞在“月牙形”同相軸后多次反射雷達波，較小空洞僅產生“月牙形”同相軸而無后續發射波。④空洞反射帶的道寬度與空洞的寬度成正比，可以作為探測空洞寬度的依據。