探地雷达法在早期人防坑道检测中的应用研究

郭都城 邵继喜

（广州市市政工程试验检测有限公司，广东广州 510520；广东省装配式地下结构检测与监测工程技术研究中心，广东广州 510520）

0 引言

坑道人防工程在运行中，由于受自然和人为因素的长期作用，其各部位结构都逐渐出现老化或局部破损等病害，其安全性下降，使用功能的正常发挥受到影响[1]。由于人防坑道属于隐蔽性工程，病害检测的滞后性所引发的工程事故和地质灾害也逐渐增多[2]。因此，急需对早期人防坑道病害进行全面排查，评估人防工程中存在的安全隐患，为人防工程的养护及城市地下空间综合开发利用提供依据。

坑道衬砌空洞是坑道的主要病害之一，会导致坑道渗漏水、结构强度降低等问题[3-5]。为准确探测坑道衬砌空洞病害，许多研究者已经采用了不同的方法进行研究[6]。如早期的坑道结构缺陷检测多采用钻孔取芯法，但钻孔取芯对衬砌支护系统具有破坏性且难以进行大批量抽样检测，少量成果也难以反映隧道衬砌结构整体质量[7]。而探地雷达法作为一种无损检测方法，相比于超声探测以及钻孔验证，具有轻便、检测效率高、分辨率高等优点[8]。但探地雷达检测中受介质电磁性干扰或介质几何形状改变，容易发生误判。此外，徐涛等[9]采用超声横波反射成像对衬砌脱空进行探测，该方法适用于病害的精准验证，对于大量的检测工程而言效率偏低。综合以上分析可知，单一的检测方法很难对衬砌病害进行精准判别和定位，也不能满足坑道检测效率需求。

因此，本文以位于广州某地的早期坑道式人防工程为例，采用探地雷达典型缺陷图像与钻孔取芯相结合的方式，来阐述和验证利用探地雷达检测早期人防工程衬砌质量检测的可靠性。

1 检测原理与方法

探地雷达法是利用探地雷达的发射天线向人防工程衬砌结构内部发射高频脉冲电磁波，当遇到相对介电常数差异较大的介质（如钢筋、空洞、衬砌岩层等），就会产生反射电磁波，反射电磁波经接收天线接收并记录，当雷达沿着人防工程衬砌结构的测线进行移动，接收天线会不断接收反射电磁波，生成反射电磁波的走时成像[10]。当发射电磁波遇到衬砌中的钢筋、钢架等，将出现强反射并反映在剖面的走时图像上；当发射电磁波遇到衬砌空洞和不密实区域，与密实的衬砌混凝土部位相比，反射电磁波会发生相位与幅度的变化；当发射电磁波遇到衬砌与岩层的交接界面时，电磁波剖面的走时图像也会有一定的规律变化，因此可根据反射电磁波剖面的走时图像来分析判断人防工程衬砌结构内部的构造和缺陷。若对电磁波波速在衬砌结构中的传播速度进行标定，可结合电磁波的双程时间计算出衬砌结构厚度和衬砌内部缺陷的深度，再结合探地雷达的位置定位，精确定位衬砌内部构造和缺陷。

2 工程应用

2.1 工程概况

广州的某早期坑道式人防工程建于20世纪70年代，总长820m，拱顶混凝土衬砌设计厚度45cm，少部分衬砌结构为钢筋混凝土，其余为素混凝土结构，混凝土强度为25MPa，坑道断面宽度2.5m，高度3.5m。

2.2 检测设备与设置

本次检测选用了500MHz屏蔽天线的探地雷达，采样点400，采集时间50ns，自动迭加8次，采用距离触发连续扫测，采样间隔0.02m，有效探测深度1.0m，探测精度2.5cm。沿人防坑道纵向布置3条测线，拱顶的D测线、左拱腰的L测线、右拱腰的R测线，具体布设见图1。在拱顶有阻碍的里程段范围，拱顶D测线将向右拱腰R测线偏移，两条拱腰测线则下移L测线（辅）和R测线（辅）。同时使用工程钻机对雷达检测的病害区域进行钻孔取芯验证。

图1 测线布置

2.3 雷达数据处理与典型图像解释

数据处理包括消除随机噪声、压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益，以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去不需要的低频和高频信号，突出目标体，降低背景噪声和余振影响[11]。由于检测工作中雷达剖面图较多，本文中选取一张典型测试图像进行分析，分析图像见图2。

图2 拱顶测线探测结果

从图中剖面可明显分出三个不同的水平层：

第一层反射波同相轴一致且平整，但各处厚度不同，显示为衬砌混凝土厚度。

第二层反射波同相轴多数不一致，回波能量随介质密度减小而减小且有一定的异向杂波干扰，显示为混凝土与围岩交界，层厚分布不均，衬砌厚度发生不均匀变化，总体在31~54cm之间，剖面中有空洞反射波形，显示深度在28cm左右。

第三层回波能量减弱，但反射波相轴基本一致，显示为完整岩石段。

2.4 探地雷达与钻孔取芯的检测结果分析

钻孔取芯检测中，对雷达探测的疑似病害区域进行验证。与上文对比分析可知，该检测段衬砌设计厚度45cm，利用取芯按照0.5m间距布置钻孔，共钻4个验证孔，空洞最薄处混凝土厚度32cm，空洞径向最大尺寸36cm，空洞位置衬砌混凝土厚度达不到设计要求，钻孔取芯结果见图3。通过观察现场钻孔取芯的过程，发现钻机循环水大量流失，说明空洞背后已经形成导水通道。

对整个检测段的探地雷达探测结果与钻孔取芯结果进行对比，结果如表1所示。部分区域内拱顶衬砌厚度不满足原来的设计要求，空洞等病害较多，通过对两种测试方法的对比可知，两种测试结果具有较好的一致性。

图3 钻孔取芯结果

表1 探地雷达与钻孔取芯的检测结果对比

3 结论

结合早期人防坑道衬砌结构特点，综合采用探地雷达法和钻孔取芯对衬砌质量进行检测，取得了较好的效果，通过上述应用研究得到以下结论：

（1）探地雷达用于坑道衬砌的检测，能够识别出衬砌结构中的钢筋、钢拱架等信息，可以快速准确判别空洞、脱空、衬砌厚度不足等病害。探地雷达法可作为早期人防坑道衬砌病害检测的一种快速普查方法。

（2）探地雷达与钻孔取芯试验结果的对比表明，两种方法在衬砌厚度与空洞病害的探测验证结果具有较好的一致性。

（3）现场取芯结果表明，衬砌背后的空洞已形成导水通道，外观直接表现为渗水、渗泥、结晶。钻孔取芯法具有检测直观、可靠的特点，可作为雷达探测的补充手段。