雷达探测在工程土体病害防治中的研究与应用

雷达探测在工程土体病害防治中的研究与应用

成利南, 郑海林, 兰云睆, 杨志华, 芦易萱, 王磊

（中建三局第二建设工程有限责任公司，湖北武汉 430074）

[摘要]结合工程实例针对基坑开挖过程中所引起的土体空洞、土质疏松等病害不易检测的难点，采用探地雷达检测技术进行解决，详细介绍了雷达检测技术的原理和影像数据处理的方法，同时采用静力触探试验进行结果验证。工程实践表明，该技术弥补了传统工艺在基坑土体病害检测中的缺陷，作业效率更高，能准确快速的确定病害位置，最终达到了快速施工的目的。

[关键词]雷达检测；基坑；土体病害；数据处理

引言[1]

随着城市土地资源的日趋紧张，地下空间的开发成为城市架构发展的必然方向，由此各种基坑工程数量愈加增多。由于基坑开挖过程中引起周边土体应力场产生变化，导致土体变形，大量的土体变形再加上地下水的不利影响，进而导致地下空洞、地面塌陷、脱空等各种工程土体病害。土体病害会给基坑施工带来较大的安全影响，同时对周边地面及构筑物后期的正常使用造成巨大的安全隐患。目前，传统的地基病害检测方法如钻探、触探等均存在检测成本高、时间周期长等缺点，面对日益紧张的工期成本，如何采用一种新式快捷的探测方式，成为亟需解决的问题。雷达探测技术是一种随着信号处理技术和电子技术的发展而新兴的浅层地球物理勘测方法。这种检测方法分辨率高，探测速度快，连续作业，采样密度高，对路面 无破损，资料可实时成像处理等优点，迅速在城市道路排水工程等工程行业得到了运用[1]。

1探地雷达法工作原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz~2.5GHz）电磁波技术。探地雷达利用一个天线发射高频短脉冲宽频带电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形等资料，可推测介质的结构、构造与埋设物体探地雷达工作原理。

2工程实例

2.1工程概况

顺义航天产业园航天器姿轨控系统及产品研发基地建设项目位于中关村科技园顺义园园区内。现场基坑开挖面积为8 260㎡，开挖深度为9m~12m，基坑支护形式为桩锚支护。基坑开挖过程中土体的受力特性比较复杂，不能简单地认为某个土体单元卸荷或加荷[2]。现场临时道路出现开裂，为保证基坑周边土体安全，在基坑回填前采用探地雷达技术对基坑周边土地进行雷达检测。

2.2检测内容

本次检测内容为12m深基坑周围临时道路下面区域土体病害检测。

2.3测试仪器

本次探地雷达检测采用美国GSSI公司生产的SIR-30E型探地雷达，选用100MHz和400MHz屏蔽天线同步检测。

2.4现场信号处理与异常识别

探地雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以白色和黑色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。反射脉冲波形的明显程度，是对探地雷达图像进行地质解释的重要依据[3]。

在雷达剖面的解释中，采用对比的方法来识别回波的特征，如回波的相位特征，波峰、波谷沿测线上的变化，回波的形态特征，波形、波幅、周期以及包络线形态等，异常识别的主要依据有：

探地雷达正常地段图像可看出雷达反射波同相轴连续，振幅、相位和频率无明显变化，无异常回波反射，表明地面下土层稳定、密实。探地雷达在探测本工程探测线L8时出异常地段图像，可看出雷达反射波同相轴不连续，振幅、相位和频率发生明显改变，回波反射明显，表明土层内存在异常，结合相关地质资料分析后，推断为空洞，并经钻孔验证。

2.5检测结果

2.5.1布线情况

现场雷达探测在相关规范的基础上，在基坑周边布置雷达测线, 测线布设应符合下列规定:在探测的区域内，合理布设控制网，以便确定记录剖面的平面位置：当目标体体积有限，要采用大网格、小比例尺初查以确定目标体所处的范围，然后用小网格大比例尺详查。当管线的方向已知，测线应垂直管线的长轴：如果方向未知，应采用方格网，测线应尽量垂直目标体的走向，测线长度根据目标体走向的变化而定（见表1）。

表1  雷达测线

2.5.2检测成果

本次探地雷达现场探测完成以后，对各条测线数据进行了数字处理分析，然后结合现场干扰情况、场地水文地质及工程地质等资料对所测各条探地雷达测线进行了综合判读和解释。在本次探测有效区域内共发现5处异常，异常情况汇总见表2。

表2 异常区情况汇总表

2.6验证

根基雷达探测发现的孔洞及范围，经过研究决定线采用轻型动力触探检查雷达探测的准确性。根据雷达探测的异常规模数据，在测线L8部位65m~67.5m处进行轻型动力触探，发现临时路下面存在孔洞，开挖后发现孔洞深度为1.45m。孔洞范围与雷达检测误差在10公分以内。随后对剩余4处同样进行了轻型动力触探检测，确认存在孔洞后进行开挖。深度及范围误差均在允许范围内。

2.7结论

1）本次探地雷达检测工作共完成39条测线，完成测线总长度2 201m。发现明显的物探异常5处异常，异常性质为空洞，建议立即进行工程处理。

2）基坑周围道路下方土体病害的发展是动态变化的。受路面交通状况、周边施工、土层中含水量等因素的影响，随着时间的推移，道路下方土体病害的深度、规模以及程度都在变化当中，建议加强后期巡检，切实做到防患于未然。

3结语

1）信息化施工管理能及时提供反馈信息，有助于施工技术水平提高[4]。雷达检测是工程土体病害快速、无损检测的一种有效方法，通过对探地雷达检测线刨面图分析，能有效地确定基坑开挖引起的土体松动、上体脱空等地基病害的空间分布范围。

2）利用探地雷达检测基坑开挖引起的地基病害的有益尝试,对类似工程有积极的指导意义。但实际应用过程中仍有一些问题需要通过不断总结经验和深入研究逐步解决。如探地雷达图像的解释、数据的处理、天线频率的选用等方面都有待改进。

参考文献：

[1]范立岗，任小强,谢海涛等.探地雷达在顶管施工管线周边士体病害检测中的运用[J].北京测绘,2020, 34（09）:1923-1926.

[2]张云军，宰金珉，王旭东，戚科骏.基坑开挖过程中土体受力特性问题的分析与研究* [J].建筑技术，2005, 36（12）: 888-890.

[3]董毅. 探地雷达在公路隐性病害无损检测中的应用[J].工程技术研究，2021, 06（23）: 83-86.

[4]杨放，韩晓健，王赫等.某综合楼深基坑信息化施工[J].南京工业大学学报，2006, 24（05）:106-110.

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