探地雷達(dá)在高速公路病害檢測中的應(yīng)用

謝源

（福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，福州 350001）

隨著高速公路營運年限的增加，交通量大、嚴(yán)重超載等情況的存在和雨水的侵蝕作用，部分高速公路出現(xiàn)一系列的公路病害。若不及時進(jìn)行治理，路面在交通荷載的作用下，使用性能將會迅速下降［1］。這不僅大大降低了高速公路的安全、快速、舒適行車的使用功能，還增加了公路養(yǎng)護(hù)成本。所以分析高速公路路基、路面暴露出的典型病害，包括橋頭跳車、橋頭搭板脫空、涵管頂及兩側(cè)脫空、路面裂縫、網(wǎng)裂、路基脫空、車轍、水損壞、橋面破損等一系列病害［2－4］是很有必要的。這些高速公路病害的初期具有隱蔽性，而常規(guī)的鉆孔取芯試驗、探坑挖驗、路表斷面測量等檢測方法［5－7］，具有對路面的破壞性、檢測深度有限、采樣點有限、檢測結(jié)果隨機性大、代表性差、效率低等缺點，為此急需發(fā)展一種快速、有效、簡便的高速公路病害檢測技術(shù)。

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用高頻寬帶電磁波來探測地下結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體的一種重要淺部地球物理檢測方法［8］，它具有效率高、分辨率高、無損性、抗干擾能力強、結(jié)果直觀等特點，非常適用于高速公路的快速無損檢測［9－11］。

1 探地雷達(dá)檢測原理

探地雷達(dá)是一種運用電磁波傳播理論進(jìn)行探測的方法，該方法利用發(fā)射天線向地下媒質(zhì)發(fā)射廣譜、高頻電磁波（脈沖寬為數(shù)納秒以至更小，主頻十?dāng)?shù)兆赫茲至數(shù)百以至千兆赫茲），如果電磁波遇到有電性（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率）差異的地下目標(biāo)體，就會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，然后接收天線在地面接收并記錄地下的電磁波返回信號，經(jīng)過對接收到的返回信號進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與分析，再結(jié)合工程地質(zhì)就可以分析推斷出地下目標(biāo)體的情況。目前，用于生產(chǎn)實踐中的探地雷達(dá)大多采用發(fā)射天線和接收天線合二為一，即自激自收方式。可根據(jù)式（1）計算出目標(biāo)體深度［12－14］：

式中：h為目標(biāo)體的埋深深度；Δt為電磁波的雙程走時；v為電磁波在地下媒質(zhì)中的傳播速度。

v可由以下公式計算：

式中：c為光速；ε為媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。

反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，反射系數(shù)r可表示成：

式中：ε1、ε2分別為上、下層媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由式（3）可以看出反射信號振幅的強度取決于上、下層媒質(zhì)的電性差，電性差越大，反射信號越強［15］。

2 工程應(yīng)用實例與分析

筆者檢查的高速公路已營運多年，該高速公路為雙向隔離、單幅三車道，由于路基填方比例大，路面所見病害多。橋頭跳車搭板脫空、涵管頂及兩側(cè)脫空、路面脫空是水泥路面主要的破壞形式。選用的儀器是SIR－3000型探地雷達(dá)。按技術(shù)要求，探測目標(biāo)深度在0.5～6m，因此筆者在檢測過程中分別使用900，400，100MHz的不同頻率天線相結(jié)合對比的方式，采用了點測與連續(xù)測量，通過皮尺加測距輪保證精度，每道采樣點為1024個。根據(jù)公路路面橋頭跳車踏板、圓管涵埋深及其路面脫空需要同時檢測的要求，為保證雷達(dá)信號清晰，反射信號明顯可辨，將分辨率、現(xiàn)場媒質(zhì)的介質(zhì)特性以及天線尺寸等因素綜合考慮，選用中心頻率為900MHz與400MHz的兩種天線進(jìn)行路面脫空及橋頭踏板脫空病害檢測，選用中心頻率為400MHz與100MHz的兩種天線進(jìn)行圓管涵管頂及兩側(cè)脫空病害檢測，采用自激自收，天線方向與測線方向平行同步移動的方法。每道掃描采樣點數(shù)設(shè)為1024或512，點測量的采樣間隔為0.1m，即每米采10個點，路面連續(xù)測量設(shè)為每米20個點，利用皮尺加測距輪探制其橫向精度。圖1～4所示雷達(dá)剖面圖均為此次高速公路檢測圖。

2.1 完好基層雷達(dá)剖面圖

一般來說，由于介質(zhì)的均勻性，正常路基分布區(qū)的雷達(dá)波反射形成的同相軸層序清晰，水平、均勻、連續(xù)，無雜亂較強的反射信號，如圖1所示。

圖1 完好基層雷達(dá)剖面圖

2.2 路面病害檢測圖

局部不密實和局部脫空是在早期較難被發(fā)現(xiàn)的高速公路病害，及時發(fā)現(xiàn)并治理它們能提高道路修建質(zhì)量，延長道路使用壽命。局部不密實是由于高速公路建設(shè)初期壓實度不夠或者一些其他原因造成的，在不密實范圍內(nèi)媒質(zhì)通常不均勻，與周圍媒質(zhì)存在一定的物性差異。典型不密實異常如圖2（a）所示，在0.8m深，水平位置4～8m處為局部不密實處，在雷達(dá)波形圖中表現(xiàn)為波形比較紊亂，反射能量強弱變化較大，層狀波形不連續(xù)。局部脫空是由于建設(shè)期壓實度不夠或者運營期一些其他原因造成的。如圖2（b）為典型的局部脫空，在脫空處出現(xiàn)典型的雙曲線繞射波，雙曲線繞射波的弧頂為脫空頂點位置。

圖2 高速公路路面病害雷達(dá)剖面圖

2.3 橋梁搭板沉陷檢測圖

高速公路建成后車流量大，橋頭與路面銜接處搭板下由于路基土固結(jié)沉降，橋臺部位積水滲入基層后容易沿著搭板聚集到搭板下端，在雨水和地下水的侵蝕作用下，使路基強度降低、承載力下降，在搭板和素混凝土下容易發(fā)生不同程度的不密實和脫空現(xiàn)象，從而嚴(yán)重威脅高速公路的安全使用。土體受到較大沖刷或排水不利引起構(gòu)造處理不當(dāng)，會使臺后填土失去穩(wěn)定性或長期處于潮濕狀態(tài)，水不能及時排出，致使土體強度降低，進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致沉陷。典型的橋頭搭板沉陷如圖3所示，從雷達(dá)剖面圖中可以清晰地看出橋頭搭板沉陷與路橋連接縫，搭板下面路基結(jié)構(gòu)已遭到破壞。

圖3 橋頭搭板沉陷雷達(dá)剖面圖

2.4 圓管涵埋深與脫空檢測圖

混凝土路面在實際使用過程中，由于車輛荷載的重復(fù)作用，圓管涵的管頂及兩側(cè)易產(chǎn)生填沙蠕動、路面面板下路基易產(chǎn)生一定的塑性變形，致使圓管涵或混凝土板的局部范圍不再與路基保持連續(xù)接觸，即為涵管附近或板下脫空。圖4（a）為100MHz雷達(dá)天線探測圖像，圓管涵的異常波形得到了很好的體現(xiàn)，雙曲線弧頂對應(yīng)實際圓管涵埋深，雙曲線弧形的兩翼跨度為10m，比實際的管徑大很多，要得到管徑大小必須選用準(zhǔn)確的雷達(dá)波波速，進(jìn)行偏移后處理。但是在100MHz雷達(dá)天線探測圖像中混凝土路面的面層、基層等分界面及路面、路基中的小的異常體、空洞等并不能得到充分的反映，這是頻率和分辨率未能達(dá)到所致。圖4（b）為同一位置、同一測線400MHz雷達(dá)天線探測圖像，圖中可見：圓管涵雙曲線異常清晰可見，雙曲線弧形的兩翼跨度為5m，管涵頂部及兩側(cè)未見明顯反射異常，路基各層分界面清楚、面層與基層分界面、基層的下界面都得到了很好的反映，淺部異常能得到很好的反映。

3 結(jié)論

探地雷達(dá)是一種高效、無損、快捷的高速公路病害檢測工具，它可以快速地檢測出高速公路在建設(shè)期間的工程質(zhì)量，運營期間的隱患和病害類型、成因、存在位置與規(guī)模等，為高速公路維護(hù)單位解決高速公路病害，制定科學(xué)的維護(hù)方案提供科學(xué)依據(jù)，能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 管涵埋深與脫空雷達(dá)剖面圖

探地雷達(dá)能夠探測不同深度、不同類別的高速公路病害和隱患，為了能發(fā)現(xiàn)小的異常體，在探測深度有保證時，應(yīng)盡量選擇頻率更高的雷達(dá)天線。

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