朱鵬瑞，劉紅彪＊，齊方利，張路剛，譚林懷

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國(guó)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(cè)中通常遇到圖紙缺失或面層下方存在空洞等問(wèn)題，為了探明結(jié)構(gòu)型式或探查面層下方隱患，需要采取合適的探測(cè)手段。人工錐探、機(jī)械鉆探等傳統(tǒng)有損物探方式效率較低，結(jié)論具有局限性，同時(shí)對(duì)建筑物造成一定的損傷，因此，需要甄選對(duì)港工建筑物結(jié)構(gòu)無(wú)損傷且高效快捷的檢測(cè)技術(shù)。

探地雷達(dá)是一種通過(guò)電磁波在地下探測(cè)物體的工具，可以在不破壞地表的情況下獲取地下物質(zhì)的位置、形狀、大小、深度等信息。由于操作簡(jiǎn)便、高效快捷且能夠?qū)崿F(xiàn)大面積連續(xù)掃描的優(yōu)點(diǎn)，探地雷達(dá)技術(shù)在水文地質(zhì)、采礦勘探、公路鐵路、建筑和市政等多個(gè)領(lǐng)域在獲得了廣泛的應(yīng)用。本文將探討探地雷達(dá)技術(shù)在港工建筑檢測(cè)方面的應(yīng)用。

1 工作原理

探地雷達(dá)技術(shù)本質(zhì)為一種高頻電磁波的發(fā)射與接收技術(shù)，利用發(fā)射天線向目標(biāo)介質(zhì)體發(fā)射不同頻率的電磁波，反射回來(lái)的電磁波被接收天線接收，從而探明目標(biāo)體結(jié)構(gòu)。不同的介質(zhì)具有差異的電磁性質(zhì)，即具有差異的介電常數(shù)，這決定了電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同。在電磁波在介質(zhì)中傳播的過(guò)程中，當(dāng)遇到具有電差異的介質(zhì)（如裂紋、非致密區(qū)域、空隙、不同材料等）時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。處理分析接收到的電磁波，基于波形、強(qiáng)度和雙向傳播時(shí)間等參數(shù)來(lái)推斷介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、電特性和幾何形狀。一般自然界中每種物質(zhì)的電磁特性是不同的，即使同一種物質(zhì)由于其含水量和顆?？紫抖榷哂胁煌碾姶欧瓷涮匦?。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的反射和透射現(xiàn)象，這取決于目標(biāo)介質(zhì)與周圍介質(zhì)的介電屬性的差異；同時(shí)伴隨著不同程度的衰減，它通過(guò)波形的特征反映出來(lái)。在電磁波“發(fā)射-發(fā)射-接收”的整個(gè)過(guò)程中，地下介質(zhì)可以看作是一組復(fù)雜的濾波器。濾波后，發(fā)射的電磁波會(huì)出現(xiàn)振幅變化、頻率下降、相位變化和反射時(shí)間變化。最后，通過(guò)解釋和判斷這些反射波形的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，可以推斷目標(biāo)物體并建立地下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 探地雷達(dá)探測(cè)工作示意圖

2 圖像判釋

探測(cè)的雷達(dá)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(cè)雷達(dá)剖面圖。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖，排除干擾波的影響，判斷和解釋目標(biāo)物體的各種信息，是探地雷達(dá)技術(shù)的核心工作?？偨Y(jié)主要探測(cè)目標(biāo)體的雷達(dá)反應(yīng)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(méi)有明顯的反射界面，因此電磁波不會(huì)存在特別明顯的反射信號(hào)。實(shí)際情況由于巖體的各向異性、風(fēng)化現(xiàn)象以及含水率等復(fù)雜因素影響，信號(hào)反射，因此雷達(dá)剖面圖上會(huì)存在微弱的中高頻電磁波反射信號(hào)。

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

如果存在較大的空洞，電磁波會(huì)在襯砌界面會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的反射信號(hào)，雷達(dá)剖面圖瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率變化明顯，在空洞下方仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，先后到達(dá)的兩組信號(hào)存在較大的時(shí)程差。

如果探測(cè)到鋼架，其在雷達(dá)剖面圖上會(huì)形成月牙狀的強(qiáng)反射信號(hào)，如果探測(cè)到鋼架鋼筋或鋼筋網(wǎng)，雷達(dá)剖面圖則呈現(xiàn)出連續(xù)的小雙曲線形反射信號(hào)。

3 在無(wú)圖紙港工建筑物型式檢測(cè)中的應(yīng)用

以嘉興南方水泥公司為例，其碼頭建設(shè)年代久遠(yuǎn)，在多方移交中存在竣工資料丟失的情況，依據(jù)《水運(yùn)工程港工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》（JTS 304-2019），需選擇控制性斷面進(jìn)行安全性復(fù)核驗(yàn)算，擬用瑞典RAMAC/GPR ProEx 型數(shù)字探地雷達(dá)對(duì)碼頭進(jìn)行型式檢測(cè)，由于不同頻率天線的測(cè)深能力不同，頻率越低，探測(cè)深度越大，選用100MHz 屏蔽天線進(jìn)行探測(cè)。碼頭臨水面探測(cè)見(jiàn)圖2 所示。

圖2 探地雷達(dá)在碼頭臨水面探測(cè)

對(duì)實(shí)測(cè)的探地雷達(dá)記錄，使用RAMAC GroundVision 二維數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行靜校正、去直流漂移、能量增益、帶通濾波、時(shí)深轉(zhuǎn)換等一系列處理后，獲得探地雷達(dá)剖面圖[3]。典型成果見(jiàn)圖3。

圖3 典型雷達(dá)剖面圖

在探測(cè)范圍內(nèi)，豎向可見(jiàn)3 層結(jié)構(gòu)，表層層底埋深約2.0～2.1m，推測(cè)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(cè)為混凝土擋墻（或砌石）下邊界；下伏層為原狀土層?；炷翐鯄Γɑ蚱鍪┥喜繉捈s1.5m，下部寬約2.0～2.5m。

碼頭結(jié)構(gòu)推測(cè)斷面示意見(jiàn)圖4，單純的物探的解釋結(jié)果具有多樣性，因此結(jié)合地質(zhì)勘探對(duì)推測(cè)斷面進(jìn)行驗(yàn)證。在碼頭前沿面層進(jìn)行鉆孔探測(cè)，各層物理性質(zhì)分界面與探地雷達(dá)探測(cè)高度較吻合，精確度在80%以上。

圖4 碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

4 探地雷達(dá)在隱蔽工程缺陷探測(cè)中的應(yīng)用

東營(yíng)勝利港碼頭防波堤長(zhǎng)2350m，寬30m，因長(zhǎng)期受海水沖刷，已經(jīng)出現(xiàn)脫空、塌陷等不良地質(zhì)情況，由于地質(zhì)鉆探采樣點(diǎn)有限，極易漏掉不良區(qū)段，留下安全隱患，因此需要利用探地雷達(dá)對(duì)面層下方的隱蔽工程進(jìn)行全面的探測(cè)。以管廊北側(cè)擋浪墻為邊線向南依次布設(shè)檢測(cè)線6 條測(cè)線，典型成果圖見(jiàn)圖5 與圖6。

圖5 無(wú)缺陷探地雷達(dá)剖面圖

圖6 病害探地雷達(dá)剖面圖

如圖5 所示，此測(cè)線電磁波同相軸較連續(xù)，未見(jiàn)明顯異常反映，因此本區(qū)域未存在明顯缺陷。

如圖6 所示，此測(cè)線電磁波同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)明顯的夾層反射，推測(cè)此區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)脫空情況，深度范圍1.0m—1.5m 左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

探地雷達(dá)技術(shù)在港工建筑物檢測(cè)領(lǐng)域具有良好的適用性。依據(jù)行業(yè)規(guī)范開(kāi)展港工建筑物的檢測(cè)與評(píng)估，建議無(wú)圖紙碼頭安全評(píng)估時(shí)通過(guò)地質(zhì)勘察結(jié)合探地雷達(dá)探測(cè)等技術(shù)手段，獲取碼頭工程地質(zhì)狀況和碼頭結(jié)構(gòu)斷面。對(duì)于港工建筑物隱蔽工程缺陷的探測(cè)，通過(guò)探地雷達(dá)向面層下方發(fā)射電磁波探明。