双频探地雷达探测道路地下空洞的试验与识别研究

吴永毅 WU Yong-yi；吴建良③ WU Jian-liang；胡良军②④ HU Liang-jun；赵亚宇②④ ZHAO Ya-yu

（①广州市市政工程试验检测有限公司，广州 510520；②广州建筑股份有限公司，广州 510030；③湖南理工学院土木建筑工程学院，岳阳 414006；④广东省装配式地下结构检测与监测工程技术研究中心，广州 510520）

0 引言

随着城市地下空间的开发强度增大，在施工扰动、管道渗漏等的影响下，城市地下空洞引发风险呈现上升趋势。地下空洞坍塌对周边造成严重的破坏，引发人员伤亡、通行车辆陷落、地下管线断裂等安全风险。目前地下空洞检测一般采用探地雷达，3D 雷达快速排查，发现地下空洞隐患后，采用二维雷达对局部细化排查、确认。

探地雷达探测地下病害一直是道路工程的研究热点。目前相关规范给出了理想情况下地下空洞的探地雷达反射特征。在实际检测中基于探地雷达识别地下病害对操作人员要求较高，存在较大概率的漏判风险。人工智能识别技术的发展对自动识别地下空洞有较大的推动作用，但需要较大数量的样本库，而实际检测中往往检测长达几十公里的道路才可检出1-2 处。虽可以通过仿真生成样本，但通过检测实际道路空洞采集样本，仍旧无可替代。

本文通过建立道路地下病害实体模型，对典型的道路地下病害进行模拟，对多种工况下的道路地下空洞病害进行探地雷达检测，通过对探地雷达图像进行研究，掌握地下空洞病害的雷达反射特性，验证模型试验是否可行，为积累大量探地雷达识别地下空洞样本提供基础。

1 试验模型

为降低道路及地下空洞的模拟难度，采用围护墙加内部填充物的形式模拟道路及地下空洞，称为“卧式道路模型”。“模型”的围护墙墙体与道路结构相同，墙内采用砂土填充，砂土内可灵活设置空洞以模拟各种工况。模型的布置情况如图1。

图1 卧式道路模型

图3 检测现场

图1 中，围护墙体左侧为圆弧状，模型平面整体呈E形，平面包络尺寸为8m×6.5m。围护墙体包括：40cm 的水泥稳定碎石基层模拟层，6cm 的水泥混凝土路面模拟层。路面模拟层局部镶嵌有2 处6cm×60cm×120cm 的沥青混凝土板以模拟沥青混凝土路面。

2 测试设备与方法

首先在模型内部填筑砂土、压实，采用人工挖孔与预埋亚克力模型2 种方式设置模拟地下空洞。缺陷设置完成后，采用超声波相控阵、双频探地雷达在模型维护墙表面进行检测。

采用的试验设备包括双频探地雷达、超声波相控阵。雷达采用ImpulseRadar 生产的CO1760 型高动态双频探地雷达，天线的中心频率为170MHz（LF）、600MHz（HF），工作时采样点数为414 点。超声波相控阵采用俄罗斯ACSYS 公司生产的MIRA A1040。

在模型右侧区域的2 个墙角设置有2 处空洞，右上角为空洞1，空洞边缘距离两面墙的距离为1.0m；右下角为空洞2，空洞边缘距离两面墙的距离为0.7m。空洞1 正对2 处沥青混凝土块区域，空洞2 正对墙体为水泥混凝土路面区域。

综合空洞与围护墙间隔及围护墙厚度，空洞1 的埋深为1.46m，空洞2 的埋深为1.16m。

首先采用超声波相控在缺陷正对墙体处、完整墙体处进行测试。探地雷达与沥青路面块的中线平齐，匀速水平移动，每工况下雷达测试重复试验3 次。

表1 检测工况

3 试验结果

3.1 超声波相控阵

超声波发射频率采用50kHz，超声波相控阵在不同位置测试典型结果如图4。

图4 超声波相控阵测试结果

从测试结果看，沥青块处相控阵结果中有较多的高亮反射，显示有较多的空隙与内部反射界面。水泥路面模拟区域因完整性较好，内部的高亮反射相对较少。

3.2 探地雷达检测

探地雷达检测时，测线围绕墙体做连续检测，每处空洞在2 面墙体各有一处成像。典型的整体检测结果图像如图5。

图5 工况2 的整体雷达图

600MHz 测试频率时，空洞典型的雷达成像图图6-图8，图中纵坐标为采用点数、横坐标为采样道数。

图6 工况1 的空洞处600MHz 测试结果

图7 工况2 的空洞处600MHz 测试结果

图8 工况3 的空洞处600MHz 测试结果

工况3 下170MHz 测试频率时，各个空洞典型的雷达成像图如图9。

图9 工况3 的空洞处170MHz 测试结果

3.3 探地雷达检测地下空洞的讨论

从3.2 节可以看出，在600MHz 频率下，探地雷达能够识别出地下空洞，其雷达特征与日常检测中发现地下空洞类似。说明以“卧式模型”模拟道路及地下空洞可行。

雷达反射图中，未出现弧线形的墙背反射线，说明在较为松散的土体中，探地雷达的探测深度难以超过2.5m深度。

空洞2 处的墙面为整体浇筑而成，内部密实无不均匀，雷达反射波呈现较为明显的“月牙形”，即同向轴为向下开口的抛物线。

将东侧墙探测空洞2 时各工况缺陷中央的数据道提取出来，截取月牙形区域的数据段，汇总显示如图10。

图10 东侧墙探测空洞2 的雷达波单道图

图10 中“base”为无空洞位置的数据道数据，其余道数据在10、30 点附近有2 处峰值，峰值即为空洞的反射。

空洞1 处的雷达波反射图形与空洞2 有明显不同，“月牙形”抛物线同向轴较不连续，特别是在北侧墙的成像“月牙形”较为零碎。

此外，空洞1 在“月牙形”回波的后续有一处较为明显的杂波发射，这是空洞对侧边界反射雷达波导致。若在探地雷达检测中发现“月牙形”抛物线同向轴回波后续有明显杂波，一般揭示有较大尺寸的异常体。

空洞1 处典型的雷达探测单道图如图11，图中数据为每道的第130-250 采集点数据。

图11 东侧墙探测空洞1 的雷达波单道图

从图11 中可以看出，在10-40 采集点区间内基准道的反射信号振幅变化较小，而空洞对应道的振幅波动较大。在40-60 采集点处4 道信号数据趋同。但60-90 采集点区间空洞对应道的振幅波动再次增大，该波形对应于空洞底面的反射，而非西侧墙背的反射。

将工况3 四处空洞反射的波形汇总，图像如图12。

图12 工况3 四处空洞反射雷达图汇总

图12 中，量取空洞1 下部反射带的道宽度，量取空洞2“月牙形”同相轴后水平反射带的道宽度，反射带宽度分别为：564、565、276、280 道，与空洞的宽度成正比。因此，可以依据缺陷的反射带宽度作为探测空洞宽度的依据。

4 结论

通过建造“围护墙式”道路地下空洞模型，预设地下空洞，进行超声波相控阵、双频探地雷达测试。通过实验、数据分析，得出如下结论：

①采用卧式围护墙模型可以方便地预设地下空洞，不破坏雷达波的探测环境，为后续更加广泛的采集地下空洞的探地雷达样本提供基础。②600MHz 高频雷达波可以识别出预埋2.0m 深度内的地下空洞，空洞周围环境会对成像同相轴的形状产生影响。③较大尺寸的空洞在“月牙形”同相轴后多次反射雷达波，较小空洞仅产生“月牙形”同相轴而无后续发射波。④空洞反射带的道宽度与空洞的宽度成正比，可以作为探测空洞宽度的依据。