周 偉

合肥城市軌道交通有限公司，安徽合肥 230001

隨著社會(huì)的發(fā)展、人類物質(zhì)文明和精神文明水平的提高，以保護(hù)現(xiàn)存古建筑為主體的世界文化遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目已引起人們的廣泛關(guān)注，對(duì)文物現(xiàn)狀的檢測(cè)和評(píng)估工作已成為保護(hù)工作必不可缺的環(huán)節(jié)。

古城墻是世界歷史遺產(chǎn)的重要組成部分，隨著時(shí)間的推移，由于自然及人為的原因?qū)е鹿懦菈υ獾讲煌潭鹊钠茐模霈F(xiàn)沉陷、裂縫、風(fēng)化剝蝕、鼓脹、空洞脫空、不密實(shí)等病害，而其中空洞脫空、不密實(shí)等內(nèi)部病害具有隱蔽性強(qiáng)與危害性大的特點(diǎn)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有針對(duì)性的采取修繕保護(hù)措施，將會(huì)對(duì)古城墻造成不可恢復(fù)的破壞[1-4]。

物探方法作為間接勘查手段，具有經(jīng)濟(jì)、高效、無損的特點(diǎn)，常規(guī)城市工程物探方法主要包括：探地雷達(dá)法、彈性波法、直流電法及瞬變電磁法[5-7]。每種物探方法具有各自的特點(diǎn)及適用性，需要根據(jù)探測(cè)目的并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件選擇合適有效的方法。但對(duì)于常規(guī)物探方法而言都無法避開一個(gè)共同的難題，即隨著探測(cè)深度的增加，探測(cè)精度下降。

古城墻由于其文物屬性及結(jié)構(gòu)的特殊性，內(nèi)部病害檢測(cè)要求高、難度大，本文在對(duì)多種物探方法分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合古城墻內(nèi)部病害檢測(cè)要求及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件，從方法及觀測(cè)系統(tǒng)出發(fā)，利用滑輪組實(shí)現(xiàn)了從古城墻側(cè)面對(duì)城墻內(nèi)部病害的雷達(dá)檢測(cè)，通過對(duì)南京多段古城墻的檢測(cè)實(shí)踐，證明了該方法探測(cè)效果明顯，能為古城墻的修繕養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)。

1 地球物理方法分析與選擇

城墻內(nèi)部空洞脫空、不密實(shí)等隱伏病害與周圍介質(zhì)之間不同程度地存在著多種物性差異，如密度差異、波速差異、電阻率差異、介電常數(shù)差異等，這些物性差異為多種物探方法應(yīng)用于城墻內(nèi)部空洞脫空、不密實(shí)等的探測(cè)提供了可能性。

各種常規(guī)物探方法根據(jù)探測(cè)目的及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，具有各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及局限性，比如探地雷達(dá)法探測(cè)精度高，水平定位準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效率高，但探測(cè)深度較淺，且要求探測(cè)工作面較平整；彈性波法也具有相對(duì)較高的探測(cè)分辨率，水平定位準(zhǔn)確，對(duì)波阻抗差異界面反映直觀、明顯，探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效率較低且需要考慮震源選擇問題；直流電法能對(duì)探測(cè)區(qū)域的電阻率分布情況進(jìn)行劃分，但由于體積效應(yīng)，探測(cè)精度較低，且現(xiàn)場(chǎng)布置及電極耦合較麻煩，探測(cè)目標(biāo)深度越大，要求測(cè)線布置長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件要求較高；瞬變電磁法對(duì)良導(dǎo)體反應(yīng)靈敏，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效率相對(duì)較高，水平定位準(zhǔn)確，探測(cè)深度大，但縱向分辨率與定深精度低[8-10]。

本文利用滑輪組，從古城墻側(cè)面采用探地雷達(dá)法對(duì)城墻內(nèi)部病害進(jìn)行探測(cè)，主要有以下考慮：①古城墻由于其文物屬性，應(yīng)盡可能發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部微小病害，因此盡可能選擇探測(cè)精度高的檢測(cè)方法；②直流電法、瞬變電磁法探測(cè)精度較低，且直流電法存在電極耦合問題，效率低，瞬變電磁法對(duì)低阻體反應(yīng)靈敏，而空洞脫空、疏松等屬于相對(duì)高阻；③彈性波法探測(cè)精度較高，但現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效率較低，且震源激振對(duì)古城墻墻體表面存在一定破壞；④探地雷達(dá)法探測(cè)精度高、效率高，但探測(cè)深度較淺；⑤由觀測(cè)系統(tǒng)出發(fā)，從古城墻側(cè)面對(duì)城墻內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)，使探測(cè)距目標(biāo)體更近，能有效解決探地雷達(dá)法探測(cè)深度較淺的弊端。

2 探測(cè)原理

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar, GPR）由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖電磁波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線組成。通過發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面時(shí)產(chǎn)生反射（空洞脫空、不密實(shí)等與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)差異），反射波被接收天線接收（探測(cè)示意圖見圖1），通過對(duì)反射電磁波旅行時(shí)、形態(tài)、振幅等信息的分析處理，反演推斷探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及異常體的分布情況，其具有分辨率高、應(yīng)用范圍廣、操作簡(jiǎn)便和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。

圖1 雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

探地雷達(dá)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻短脈沖電磁波，經(jīng)過地層或目標(biāo)體反射后被接收天線接收，脈沖波行程時(shí)間t=4Z2+X2V，當(dāng)?shù)叵碌貙拥牟ㄋ賄已知后（相關(guān)介質(zhì)參數(shù)見表1），根據(jù)已測(cè)到的精確時(shí)間t，由上式可求得反射體的深度。

表1 相關(guān)介質(zhì)物性參數(shù)

3 探測(cè)實(shí)例

南京明城墻是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，且作為“中國(guó)明清城墻”項(xiàng)目的牽頭城市被列入中國(guó)世界文化遺產(chǎn)預(yù)備名單，南京城墻管理相關(guān)部門高度重視古城墻的健康狀況，對(duì)多段古城墻進(jìn)行了探地雷達(dá)檢測(cè)，現(xiàn)以某段城墻檢測(cè)為例對(duì)檢測(cè)情況進(jìn)行介紹。

檢測(cè)采用200MHz頻率天線連續(xù)掃描方式，時(shí)窗長(zhǎng)度120ns，利用滑輪組從古城墻側(cè)面進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)線間距1m，共70條測(cè)線，完成69m古城墻的內(nèi)部病害檢測(cè)，每條測(cè)線均從城墻底部向上進(jìn)行，測(cè)線布置及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)見圖2、圖3。

圖2 探地雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

解釋原則：根據(jù)空洞脫空與不密實(shí)的物性特點(diǎn)，結(jié)合前期大量的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)反射清晰、反射同相軸較單一的異常解釋為空洞脫空，對(duì)反射同相軸較密集、同相軸錯(cuò)動(dòng)的異常解釋為不密實(shí)。

以測(cè)線20解釋為例：① 距城墻底部5.8～6.3m，深1.5m處存在空洞脫空病害；② 距城墻底部8.1～9.8m，深1.5m處存在不密實(shí)病害；③ 距城墻底部10.5～12m，深1m處存在空洞脫空病害。

對(duì)每條測(cè)線進(jìn)行上述解釋，結(jié)合每條測(cè)線位置，即可得到整個(gè)探測(cè)段古城墻的內(nèi)部病害狀況分布圖。

根據(jù)檢測(cè)段古城墻內(nèi)部病害分布圖可知，檢測(cè)段古城墻整體狀況較差，特別是測(cè)線16至測(cè)線23段，測(cè)線26至測(cè)線31段，病害發(fā)育密集，且具有連續(xù)性，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)修繕養(yǎng)護(hù)措施，避免內(nèi)部病害進(jìn)一步發(fā)育造成不可恢復(fù)的破壞。

4 結(jié)語

古城墻屬于世界歷史文化遺產(chǎn)，是全人類的共同財(cái)富，且具有不可恢復(fù)性，有針對(duì)性的進(jìn)行修繕養(yǎng)護(hù)是古城墻保護(hù)工作的重中之重。物探方法具有經(jīng)濟(jì)、快速、無損的優(yōu)點(diǎn)，但不同物探方法具有各自應(yīng)用的局限性；結(jié)合古城墻特征，利用滑輪組從古城墻側(cè)面對(duì)城墻內(nèi)部病害進(jìn)行高精雷達(dá)檢測(cè)，能為古城墻的修繕養(yǎng)護(hù)提供基礎(chǔ)資料與決策依據(jù)；利用滑輪組從古城墻側(cè)面對(duì)城墻內(nèi)部病害進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)，具有效率高、精度高的特點(diǎn)，且可推廣性強(qiáng)，具有極好的應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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