探地雷达法在古城墙内部病害检测上的应用

周 伟

合肥城市轨道交通有限公司，安徽合肥 230001

随着社会的发展、人类物质文明和精神文明水平的提高，以保护现存古建筑为主体的世界文化遗产保护项目已引起人们的广泛关注，对文物现状的检测和评估工作已成为保护工作必不可缺的环节。

古城墙是世界历史遗产的重要组成部分，随着时间的推移，由于自然及人为的原因导致古城墙遭到不同程度的破坏，出现沉陷、裂缝、风化剥蚀、鼓胀、空洞脱空、不密实等病害，而其中空洞脱空、不密实等内部病害具有隐蔽性强与危害性大的特点，若不能及时发现并有针对性的采取修缮保护措施，将会对古城墙造成不可恢复的破坏[1-4]。

物探方法作为间接勘查手段，具有经济、高效、无损的特点，常规城市工程物探方法主要包括：探地雷达法、弹性波法、直流电法及瞬变电磁法[5-7]。每种物探方法具有各自的特点及适用性，需要根据探测目的并结合现场条件选择合适有效的方法。但对于常规物探方法而言都无法避开一个共同的难题，即随着探测深度的增加，探测精度下降。

古城墙由于其文物属性及结构的特殊性，内部病害检测要求高、难度大，本文在对多种物探方法分析的基础上，结合古城墙内部病害检测要求及现场检测条件，从方法及观测系统出发，利用滑轮组实现了从古城墙侧面对城墙内部病害的雷达检测，通过对南京多段古城墙的检测实践，证明了该方法探测效果明显，能为古城墙的修缮养护提供决策依据。

1 地球物理方法分析与选择

城墙内部空洞脱空、不密实等隐伏病害与周围介质之间不同程度地存在着多种物性差异，如密度差异、波速差异、电阻率差异、介电常数差异等，这些物性差异为多种物探方法应用于城墙内部空洞脱空、不密实等的探测提供了可能性。

各种常规物探方法根据探测目的及现场探测条件，具有各自的特点、优势以及局限性，比如探地雷达法探测精度高，水平定位准确，现场探测效率高，但探测深度较浅，且要求探测工作面较平整；弹性波法也具有相对较高的探测分辨率，水平定位准确，对波阻抗差异界面反映直观、明显，探测深度大等优点，但现场探测效率较低且需要考虑震源选择问题；直流电法能对探测区域的电阻率分布情况进行划分，但由于体积效应，探测精度较低，且现场布置及电极耦合较麻烦，探测目标深度越大，要求测线布置长度越长，对现场条件要求较高；瞬变电磁法对良导体反应灵敏，现场探测效率相对较高，水平定位准确，探测深度大，但纵向分辨率与定深精度低[8-10]。

本文利用滑轮组，从古城墙侧面采用探地雷达法对城墙内部病害进行探测，主要有以下考虑：①古城墙由于其文物属性，应尽可能发现其内部微小病害，因此尽可能选择探测精度高的检测方法；②直流电法、瞬变电磁法探测精度较低，且直流电法存在电极耦合问题，效率低，瞬变电磁法对低阻体反应灵敏，而空洞脱空、疏松等属于相对高阻；③弹性波法探测精度较高，但现场探测效率较低，且震源激振对古城墙墙体表面存在一定破坏；④探地雷达法探测精度高、效率高，但探测深度较浅；⑤由观测系统出发，从古城墙侧面对城墙内部进行探测，使探测距目标体更近，能有效解决探地雷达法探测深度较浅的弊端。

2 探测原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲电磁波的发射机和向外辐射电磁波的天线组成。通过发射天线发射高频电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面时产生反射（空洞脱空、不密实等与周围介质存在介电常数差异），反射波被接收天线接收（探测示意图见图1），通过对反射电磁波旅行时、形态、振幅等信息的分析处理，反演推断探测区域范围内结构、构造及异常体的分布情况，其具有分辨率高、应用范围广、操作简便和自动化程度高的特点。

图1 雷达探测原理示意图

探地雷达发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，经过地层或目标体反射后被接收天线接收，脉冲波行程时间t=4Z2+X2V，当地下地层的波速V已知后（相关介质参数见表1），根据已测到的精确时间t，由上式可求得反射体的深度。

表1 相关介质物性参数

3 探测实例

南京明城墙是全国重点文物保护单位，且作为“中国明清城墙”项目的牵头城市被列入中国世界文化遗产预备名单，南京城墙管理相关部门高度重视古城墙的健康状况，对多段古城墙进行了探地雷达检测，现以某段城墙检测为例对检测情况进行介绍。

检测采用200MHz频率天线连续扫描方式，时窗长度120ns，利用滑轮组从古城墙侧面进行检测，测线间距1m，共70条测线，完成69m古城墙的内部病害检测，每条测线均从城墙底部向上进行，测线布置及现场检测见图2、图3。

图2 探地雷达测线布置示意图

图3 现场检测图

解释原则：根据空洞脱空与不密实的物性特点，结合前期大量的检测经验，对反射清晰、反射同相轴较单一的异常解释为空洞脱空，对反射同相轴较密集、同相轴错动的异常解释为不密实。

以测线20解释为例：① 距城墙底部5.8～6.3m，深1.5m处存在空洞脱空病害；② 距城墙底部8.1～9.8m，深1.5m处存在不密实病害；③ 距城墙底部10.5～12m，深1m处存在空洞脱空病害。

对每条测线进行上述解释，结合每条测线位置，即可得到整个探测段古城墙的内部病害状况分布图。

根据检测段古城墙内部病害分布图可知，检测段古城墙整体状况较差，特别是测线16至测线23段，测线26至测线31段，病害发育密集，且具有连续性，应及时采取相应修缮养护措施，避免内部病害进一步发育造成不可恢复的破坏。

4 结语

古城墙属于世界历史文化遗产，是全人类的共同财富，且具有不可恢复性，有针对性的进行修缮养护是古城墙保护工作的重中之重。物探方法具有经济、快速、无损的优点，但不同物探方法具有各自应用的局限性；结合古城墙特征，利用滑轮组从古城墙侧面对城墙内部病害进行高精雷达检测，能为古城墙的修缮养护提供基础资料与决策依据；利用滑轮组从古城墙侧面对城墙内部病害进行雷达检测，具有效率高、精度高的特点，且可推广性强，具有极好的应用前景和实际应用价值。

[1] 丁伟，王占雷，刘波，等.古城墙砖回弹检测技术研究[J].建筑结构，2014，44（2）：83-86.

[2] 杨瑜瑞.榆林卫城南城墙加固试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.

[3] 马成理.平遥古城墙现状探测[J].山西建筑，2012，38（12）：35-36.

[4] 苏丛柏.无损检测技术在世界文化遗产平遥古城墙检测中的应用[A].中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会、建设工程无损检测技术专业委员会.第十届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集[C].中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会、建设工程无损检测技术专业委员会：2008:16.

[5] 任攀虹.城市建设中工程物探的技术应用与发展趋势分析[J].中国管理信息化，2017，20（24）：142-143.

[6] 李慧琪.工程物探技术在城市建设中的应用分析[A].《建筑科技与管理》组委会.2017年3月建筑科技与管理学术交流会论文集[C].《建筑科技与管理》组委会：2017:2.

[7] 李学军.我国城市物探的应用与发展[J].地球物理学进展，2011，26（6）：2221-2231.

[8] 王俊，雷宛，李星，等.综合物探方法在工程基础勘探中的应用[J].物探化探计算技术，2013，35（2）：215-220，121.

[9] 赖思静，杨建国，贾学明.综合物探技术及工程应用[J].公路交通技术，2005（5）：52-56.

[10] 何展翔，王永涛，刘云祥，等.综合物探技术新进展及应用[J].石油地球物理勘探，2005（1）：108-112，20-21，126.