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?gòu)V州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)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(xué)院土木建筑工程學(xué)院，岳陽(yáng) 414006；④廣東省裝配式地下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510520）

0 引言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度增大，在施工擾動(dòng)、管道滲漏等的影響下，城市地下空洞引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。地下空洞坍塌對(duì)周邊造成嚴(yán)重的破壞，引發(fā)人員傷亡、通行車(chē)輛陷落、地下管線斷裂等安全風(fēng)險(xiǎn)。目前地下空洞檢測(cè)一般采用探地雷達(dá)，3D 雷達(dá)快速排查，發(fā)現(xiàn)地下空洞隱患后，采用二維雷達(dá)對(duì)局部細(xì)化排查、確認(rèn)。

探地雷達(dá)探測(cè)地下病害一直是道路工程的研究熱點(diǎn)。目前相關(guān)規(guī)范給出了理想情況下地下空洞的探地雷達(dá)反射特征。在實(shí)際檢測(cè)中基于探地雷達(dá)識(shí)別地下病害對(duì)操作人員要求較高，存在較大概率的漏判風(fēng)險(xiǎn)。人工智能識(shí)別技術(shù)的發(fā)展對(duì)自動(dòng)識(shí)別地下空洞有較大的推動(dòng)作用，但需要較大數(shù)量的樣本庫(kù)，而實(shí)際檢測(cè)中往往檢測(cè)長(zhǎng)達(dá)幾十公里的道路才可檢出1-2 處。雖可以通過(guò)仿真生成樣本，但通過(guò)檢測(cè)實(shí)際道路空洞采集樣本，仍舊無(wú)可替代。

本文通過(guò)建立道路地下病害實(shí)體模型，對(duì)典型的道路地下病害進(jìn)行模擬，對(duì)多種工況下的道路地下空洞病害進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)，通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)圖像進(jìn)行研究，掌握地下空洞病害的雷達(dá)反射特性，驗(yàn)證模型試驗(yàn)是否可行，為積累大量探地雷達(dá)識(shí)別地下空洞樣本提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為降低道路及地下空洞的模擬難度，采用圍護(hù)墻加內(nèi)部填充物的形式模擬道路及地下空洞，稱為“臥式道路模型”?！澳Ｐ汀钡膰o(hù)墻墻體與道路結(jié)構(gòu)相同，墻內(nèi)采用砂土填充，砂土內(nèi)可靈活設(shè)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖1 中，圍護(hù)墻體左側(cè)為圓弧狀，模型平面整體呈E形，平面包絡(luò)尺寸為8m×6.5m。圍護(hù)墻體包括：40cm 的水泥穩(wěn)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(cè)試設(shè)備與方法

首先在模型內(nèi)部填筑砂土、壓實(shí)，采用人工挖孔與預(yù)埋亞克力模型2 種方式設(shè)置模擬地下空洞。缺陷設(shè)置完成后，采用超聲波相控陣、雙頻探地雷達(dá)在模型維護(hù)墻表面進(jìn)行檢測(cè)。

采用的試驗(yàn)設(shè)備包括雙頻探地雷達(dá)、超聲波相控陣。雷達(dá)采用ImpulseRadar 生產(chǎn)的CO1760 型高動(dòng)態(tài)雙頻探地雷達(dá)，天線的中心頻率為170MHz（LF）、600MHz（HF），工作時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)為414 點(diǎn)。超聲波相控陣采用俄羅斯ACSYS 公司生產(chǎn)的MIRA A1040。

在模型右側(cè)區(qū)域的2 個(gè)墻角設(shè)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?？斩? 正對(duì)2 處瀝青混凝土塊區(qū)域，空洞2 正對(duì)墻體為水泥混凝土路面區(qū)域。

綜合空洞與圍護(hù)墻間隔及圍護(hù)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(duì)墻體處、完整墻體處進(jìn)行測(cè)試。探地雷達(dá)與瀝青路面塊的中線平齊，勻速水平移動(dòng)，每工況下雷達(dá)測(cè)試重復(fù)試驗(yàn)3 次。

表1 檢測(cè)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 超聲波相控陣

超聲波發(fā)射頻率采用50kHz，超聲波相控陣在不同位置測(cè)試典型結(jié)果如圖4。

圖4 超聲波相控陣測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看，瀝青塊處相控陣結(jié)果中有較多的高亮反射，顯示有較多的空隙與內(nèi)部反射界面。水泥路面模擬區(qū)域因完整性較好，內(nèi)部的高亮反射相對(duì)較少。

3.2 探地雷達(dá)檢測(cè)

探地雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，測(cè)線圍繞墻體做連續(xù)檢測(cè)，每處空洞在2 面墻體各有一處成像。典型的整體檢測(cè)結(jié)果圖像如圖5。

圖5 工況2 的整體雷達(dá)圖

600MHz 測(cè)試頻率時(shí)，空洞典型的雷達(dá)成像圖圖6-圖8，圖中縱坐標(biāo)為采用點(diǎn)數(shù)、橫坐標(biāo)為采樣道數(shù)。

圖6 工況1 的空洞處600MHz 測(cè)試結(jié)果

圖7 工況2 的空洞處600MHz 測(cè)試結(jié)果

圖8 工況3 的空洞處600MHz 測(cè)試結(jié)果

工況3 下170MHz 測(cè)試頻率時(shí)，各個(gè)空洞典型的雷達(dá)成像圖如圖9。

圖9 工況3 的空洞處170MHz 測(cè)試結(jié)果

3.3 探地雷達(dá)檢測(cè)地下空洞的討論

從3.2 節(jié)可以看出，在600MHz 頻率下，探地雷達(dá)能夠識(shí)別出地下空洞，其雷達(dá)特征與日常檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)地下空洞類似。說(shuō)明以“臥式模型”模擬道路及地下空洞可行。

雷達(dá)反射圖中，未出現(xiàn)弧線形的墻背反射線，說(shuō)明在較為松散的土體中，探地雷達(dá)的探測(cè)深度難以超過(guò)2.5m深度。

空洞2 處的墻面為整體澆筑而成，內(nèi)部密實(shí)無(wú)不均勻，雷達(dá)反射波呈現(xiàn)較為明顯的“月牙形”，即同向軸為向下開(kāi)口的拋物線。

將東側(cè)墻探測(cè)空洞2 時(shí)各工況缺陷中央的數(shù)據(jù)道提取出來(lái)，截取月牙形區(qū)域的數(shù)據(jù)段，匯總顯示如圖10。

圖10 東側(cè)墻探測(cè)空洞2 的雷達(dá)波單道圖

圖10 中“base”為無(wú)空洞位置的數(shù)據(jù)道數(shù)據(jù)，其余道數(shù)據(jù)在10、30 點(diǎn)附近有2 處峰值，峰值即為空洞的反射。

空洞1 處的雷達(dá)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(xù)，特別是在北側(cè)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(xù)有一處較為明顯的雜波發(fā)射，這是空洞對(duì)側(cè)邊界反射雷達(dá)波導(dǎo)致。若在探地雷達(dá)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)“月牙形”拋物線同向軸回波后續(xù)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(dá)探測(cè)單道圖如圖11，圖中數(shù)據(jù)為每道的第130-250 采集點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖11 東側(cè)墻探測(cè)空洞1 的雷達(dá)波單道圖

從圖11 中可以看出，在10-40 采集點(diǎn)區(qū)間內(nèi)基準(zhǔn)道的反射信號(hào)振幅變化較小，而空洞對(duì)應(yīng)道的振幅波動(dòng)較大。在40-60 采集點(diǎn)處4 道信號(hào)數(shù)據(jù)趨同。但60-90 采集點(diǎn)區(qū)間空洞對(duì)應(yīng)道的振幅波動(dòng)再次增大，該波形對(duì)應(yīng)于空洞底面的反射，而非西側(cè)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(dá)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(jù)缺陷的反射帶寬度作為探測(cè)空洞寬度的依據(jù)。

4 結(jié)論

通過(guò)建造“圍護(hù)墻式”道路地下空洞模型，預(yù)設(shè)地下空洞，進(jìn)行超聲波相控陣、雙頻探地雷達(dá)測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：

①采用臥式圍護(hù)墻模型可以方便地預(yù)設(shè)地下空洞，不破壞雷達(dá)波的探測(cè)環(huán)境，為后續(xù)更加廣泛的采集地下空洞的探地雷達(dá)樣本提供基礎(chǔ)。②600MHz 高頻雷達(dá)波可以識(shí)別出預(yù)埋2.0m 深度內(nèi)的地下空洞，空洞周?chē)h(huán)境會(huì)對(duì)成像同相軸的形狀產(chǎn)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(dá)波，較小空洞僅產(chǎn)生“月牙形”同相軸而無(wú)后續(xù)發(fā)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(cè)空洞寬度的依據(jù)。