地質(zhì)雷達(dá)在公路病害預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

■吳少峰

(福州市公路局長樂分局，福州 350004)

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展， 通車?yán)锍讨鹉暝黾樱?但運(yùn)營中出現(xiàn)的病害缺陷也日益增多， 如路基沉降、路面及橋面破碎、邊坡失穩(wěn)等，影響公路的服務(wù)水準(zhǔn)和使用壽命。因此，快速精準(zhǔn)的進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)病害缺陷，及時預(yù)防養(yǎng)護(hù)，不僅可維持公路的服務(wù)水準(zhǔn)，而且可延長使用壽命，降低養(yǎng)護(hù)成本。目前，傳統(tǒng)的檢測方法效率低，代表性差，偶然性較大，經(jīng)常需破壞路基路面及構(gòu)造物，且影響正常交通秩序。20 世紀(jì)80 年代開始， 地質(zhì)雷達(dá)(GPR) 技術(shù)以其便捷、 無損、 高效、經(jīng)濟(jì)、操作簡單、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)果直觀等優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報[1]、路基邊坡穩(wěn)定監(jiān)測[2]和擋墻質(zhì)量檢測[3]、路面厚度檢測[4]、橋梁樁基檢測[5]、預(yù)應(yīng)力注漿檢測[6]等建設(shè)工程中，成為一種重要的檢測手段。但截至目前， 地質(zhì)雷達(dá)在公路養(yǎng)護(hù)工程中少有應(yīng)用，未體現(xiàn)出其在養(yǎng)護(hù)工程中的優(yōu)勢。 本文結(jié)合養(yǎng)護(hù)工程背景，通過地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果與傳統(tǒng)試驗結(jié)果相對比，驗證地質(zhì)雷達(dá)檢測的效果和精度，并總結(jié)應(yīng)用的經(jīng)驗，供公路養(yǎng)護(hù)工程參考。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是運(yùn)用高頻電磁波的反射探測目標(biāo)體，其基本工作原理是利用一個天線向介質(zhì)(目標(biāo)體)發(fā)射高頻寬頻帶的短脈沖電磁波， 另一個天線接收介質(zhì)界面反射回的電磁波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其波形、電磁場強(qiáng)度、 路徑將隨通過介質(zhì)的幾何形性和電性質(zhì)變化而變化，通過分析接收波的波形、波幅、旅行時間等參數(shù)，就可以推斷出介質(zhì)的結(jié)構(gòu)(如空洞的形狀和位置)[2][8]。地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備包含主機(jī)、天線、數(shù)據(jù)線及電池等配件，其中雷達(dá)天線的頻率直接影響著探測范圍、深度和分辨率， 針對不同的目標(biāo)體選用合適的頻率對檢測的精度及分辨率占主導(dǎo)作用。

2 地質(zhì)雷達(dá)在路基工程中的應(yīng)用

(1)適用范圍

基于地質(zhì)雷達(dá)的工作性能，結(jié)合路基的工程特性，其可應(yīng)用于路基沉陷、路基壓實均勻性、邊坡變形、擋墻質(zhì)量及管線埋置位置等方面的檢測。 可快速且較為準(zhǔn)確的判定路基、邊坡和擋墻的薄弱部位和病害程度，為病因分析和維修加固提供依據(jù)； 同時， 可判斷出路基、 邊坡和擋墻中管線的位置， 避免維修加固時造成損壞。

(2)儀器設(shè)備選擇

根據(jù)路基的工程特性，頻率為100MHz、500MHz、800MHz 的3 種天線較常使用，各頻率天線的適用范圍歸納如表1 所示。

表1 路基工程檢測頻率適用范圍表

(3)工程實例

①概況： 某縣道X254，K9+124 處為(2×5)m 鋼筋混凝土板橋，位于江邊，常年受潮水沖刷，臺后路面產(chǎn)生不同程度的下沉且側(cè)墻外鼓。為確保橋梁的正常使用，對臺后路基進(jìn)行檢測，判斷病害成因，為修復(fù)提供依據(jù)。

②儀器選用和測試方案：探測前，先了解臺后路基與周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。根據(jù)側(cè)墻的高度分別選用100MHz 和500MHz 天線進(jìn)行探測。 為實現(xiàn)立體檢測，分別布置了兩條縱線、兩條橫線。

③圖像判釋：圖1 是500MHz 天線沿道路縱向探測的臺后路基灰度圖，從圖中可以清晰的分辨出橋梁(藍(lán)線)、管線(紫線)、路面結(jié)構(gòu)層(紅線)及路基的邊界。從路面結(jié)構(gòu)界面的形狀可知臺后路面最大沉降量達(dá)30cm， 臺后8m 范圍內(nèi)路面基層和路基界面反射信號強(qiáng)，存在脫空，基層與路基粘結(jié)被破壞，可初步判定路基沉陷長度[9]。路面2.6m 以下路基發(fā)生強(qiáng)振幅反射，雷達(dá)波呈現(xiàn)出的波形相對均一，有一定規(guī)律的多次強(qiáng)反射現(xiàn)象，可判斷該處路基含水量較大[2]，說明涵墻已透水，2.6m 以下的路基已浸水， 與漲潮水位對應(yīng)。 圖2 是100MHz 天線沿道路橫向探測的臺后路基波形圖(右側(cè)為臨江側(cè))，從圖中可以知橫向3 m，深2 m；橫向6m，深2 m； 橫向1～3 m， 深3.5～4m； 橫向5～7 m， 深4～5m；橫向3～5m，深5～6m 共5 處出現(xiàn)同相軸缺失現(xiàn)象，可判斷該處可能出現(xiàn)局部沉陷[2]。結(jié)合圖1 和圖2，可初步確定路基沉陷的位置和范圍。 經(jīng)現(xiàn)場開挖和相關(guān)試驗，上述結(jié)論基本都得到的驗證，誤差在10cm 內(nèi)。臺后注漿修復(fù)后的檢測可參考文獻(xiàn)[10]。

圖1 縱向500MHz 灰度圖(單位：m)

圖2 橫向100MHz 波形圖(單位：m)

3 地質(zhì)雷達(dá)在路面工程中的應(yīng)用

(1)適用范圍

結(jié)合路面工程的特點(diǎn)， 地質(zhì)雷達(dá)可應(yīng)用于路面脫空、角隅鋼筋、拉筋及植筋尺寸及間距、混凝土及瀝青路結(jié)構(gòu)層面厚度等方面的檢測?？煽焖偾逸^為準(zhǔn)確的斷定路面脫空位置及尺寸、鋼筋布置情況及結(jié)構(gòu)層厚度等參數(shù)。

(2)儀器設(shè)備選擇

針對路面工程， 建議選用800MHz 和1.6GHz 2 種雷達(dá)天線進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件檢測，適用范圍如表2 所示。

表2 路面工程檢測頻率適用范圍表

(3)工程實例

①概況：某省道S303，K0+600 處綠化帶路緣石底部路基掏空，長度約5m，部分綠化帶陪植土流失。為確保路面(厚度24cm)的通行安全，采用地質(zhì)雷達(dá)對掏空路段的混凝土路面進(jìn)行檢測，判斷混凝土面板是否脫空及脫空范圍，分析病害成因，作為修復(fù)的依據(jù)。

②儀器選用和測試方案：探測前，先了解路面與周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。根據(jù)混凝土面板的厚度選用800MHz 的天線進(jìn)行探測。 根據(jù)路緣石下方的掏空情況，布置兩條20m 長的縱線進(jìn)行檢測。

③圖像判釋：圖3 是800MHz 天線沿路面縱向探測的灰度圖，可以清晰的分辨出雨水井(藍(lán)線)、管線(紫線)、路面結(jié)構(gòu)層(紅線)的邊界。從圖3 中可知混凝土面板厚度在22~25cm 之間，與設(shè)計厚度基本吻合； 8~10m、19~20m 兩段路基明顯下沉。其中8~10m 路段位于雨水井附近，由于施工壓實不到位或后期雨水井排水等影響，造成沉降約10cm；19~20m 為橋臺后填土，存在工后沉降，沉降量在6cm 左右。12.5~13.5m 段、16~17m 段2 處出現(xiàn)同相軸缺失現(xiàn)象，路基存在脫空[2]。經(jīng)現(xiàn)場開挖和相關(guān)試驗， 上述結(jié)果基本符合實際， 誤差較小， 其中路面厚度與沉降量精度在1cm 內(nèi)， 脫空及沉降范圍精度在10cm 內(nèi)。

圖3 縱向800MHz 灰度圖(單位：m)

4 地質(zhì)雷達(dá)在橋梁工程中的應(yīng)用

(1)適用范圍

根據(jù)橋梁工程的特點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)可用于橋面結(jié)構(gòu)層厚度，角隅鋼筋、拉筋及植筋尺寸及間距，構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)造、鋼筋布置情況及保護(hù)層厚度，預(yù)埋件位置及埋置深度等方面的檢測。可快速且較為準(zhǔn)確的判定橋面厚度、保護(hù)層厚度、鋼筋布置、構(gòu)件尺寸、預(yù)埋深度等參數(shù)，為病因分析和維修加固提供依據(jù)。

(2)儀器設(shè)備選擇

根據(jù)橋梁工程的實際情況， 建議選用500MHz、800MHz、1.6GHz 3 種天線進(jìn)行檢測， 適用范圍如表3所示。

表3 橋梁工程檢測頻率適用范圍表

(3)工程實例

①概況：某縣道X354，K0+260 處為一座鋼筋混凝土剛架拱橋，橋?qū)?7m，橋長58.8m，主跨45m，水泥混凝土橋面。該橋橋面出現(xiàn)了縱向和橫向裂縫，伸縮縫后澆帶破碎， 個別微彎板混凝土掉塊、 開裂， 露筋銹蝕，剛架拱片弦桿段跨中區(qū)域存在環(huán)形裂縫等病害。上述病害按設(shè)計進(jìn)行了修復(fù)加固，其中為確保伸縮縫的錨固，將弦桿端部的橫隔板植筋加大截面。為檢驗端橫隔板的施工質(zhì)量，用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了檢測。

②儀器選用和測試方案：探測前，先了解端橫隔板與周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。并根據(jù)端隔板高度分別選用800MHz 和1.6GHz 的天線進(jìn)行探測。沿伸縮縫走向布置一條橫線進(jìn)行探測。

③圖像判釋：使用800MHz 和1.6GHz 天線均可得到的清晰灰度圖。圖4 為1.6GHz 天線沿伸縮縫走向測量的灰度圖。從圖中可以清晰的分辨出微彎板(藍(lán)線)、鋼筋(黃點(diǎn))、橋面(紅線)的邊界?？芍摻畋Ｗo(hù)層厚度在3～5cm，滿足要求；鋼筋間距基本在20cm 左右且比較均勻， 與設(shè)計吻合。 微彎板的厚度在10cm 左右，與實測相符。經(jīng)對比，鋼筋保護(hù)層與微彎板厚度、鋼筋間距的精度控制在1cm 內(nèi)。 在對空心板梁的探測中，發(fā)現(xiàn)空心板梁配筋及頂板預(yù)埋件較多，檢測干擾較大，圖像較為模糊，但對梁片的結(jié)構(gòu)尺寸，特別是空心板梁頂板、底板厚度的測量結(jié)果還是比較準(zhǔn)確的，故可有效地檢測空心板梁施工時氣囊的上浮量，控制施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

5 地質(zhì)雷達(dá)在安保工程中的應(yīng)用

(1)適用范圍

地質(zhì)雷達(dá)可用于檢測防撞墻結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋布置及保護(hù)層厚度；波形護(hù)欄立柱埋深；安保工程基礎(chǔ)尺寸及埋置深度等。從而快速且較為準(zhǔn)確的確定安保設(shè)施的鋼筋間距、保護(hù)層厚度、基礎(chǔ)尺寸及埋深等參數(shù)，為施工質(zhì)量、病害缺陷和維修加固提供依據(jù)。

(2)儀器設(shè)備選擇

根據(jù)安保設(shè)施的工程特點(diǎn)， 建議選用800MHz、1.6GHz 2 種雷達(dá)天線進(jìn)行檢測，適用范圍如表4 所示。

表4 安保工程檢測頻率適用范圍表

(3)工程實例

①概況： 某省道S301， 為完善安保設(shè)施， 在K263+720 處增設(shè)鋼筋混凝土防撞墻和波形鋼護(hù)欄。為檢驗鋼筋混凝土防撞墻的施工質(zhì)量， 用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了檢測。

②儀器選用和測試方案：探測前，先了解鋼筋混凝土防撞墻周圍介質(zhì)是否有介電常數(shù)差異。根據(jù)防撞墻的高度和厚度選用800MHz 天線探測。 在防撞墻頂面沿路線方向布置一條線探測、沿豎向從頂部至路面布置一條線探測。

圖5 橫向800MHz 灰度圖

③圖像判釋：使用800MHz 天線可得到的清晰灰度圖， 圖5、 圖6 分別為沿路線方向和豎向探測的灰度圖。 從圖5 可清晰判斷出防撞墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、 鋼筋布置、輪廓標(biāo)及水泥路面的邊界。從圖5 可知鋼筋混凝土防撞墻基礎(chǔ)埋置深度不足，即高度不滿足設(shè)計要求(設(shè)計為墻高為144cm，檢測為132cm)；1 號鋼筋排列較為規(guī)律， 鋼筋間距為20cm， 與設(shè)計相符，3 號鋼筋間距為17～18cm， 較為平順， 與設(shè)計相符， 但0.5～1.5m 段的變截面處(綠色位置)3 號鋼筋傾斜度較大，間距不均；輪廓標(biāo)位置與設(shè)計相符。從圖6 可知防撞墻頂面厚度約為25cm， 在離路面26cm 處存在變截面， 變截面處厚度為40cm，路面處防撞墻厚度為45cm，與實測結(jié)果較為接近， 誤差在1cm 內(nèi)。 通過對預(yù)埋件的探測，可知靠近地面的預(yù)埋件檢測到的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)， 埋置較深的預(yù)埋件由于波的能量衰減及干擾等因素，檢測到的數(shù)據(jù)精確較差。

圖6 豎向800MHz 灰度圖

6 結(jié)論

(1)通過探索地質(zhì)雷達(dá)在路基、路面、橋梁及安保等工程實例中的應(yīng)用，可以證明，地質(zhì)雷達(dá)檢測基本能滿足公路工程病害預(yù)防性養(yǎng)護(hù)及維修加固后質(zhì)量檢測的要求，具有高效、無損、便捷、易操作、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯，對公路病害預(yù)防養(yǎng)護(hù)和維修加固后檢測具有重要的意義。

(2) 地質(zhì)雷達(dá)的檢測精度與天線頻率、 參數(shù)選取、測點(diǎn)布線及周邊環(huán)境等因素有關(guān)，本文經(jīng)過工程實踐，針對路基、路面、橋梁及安保工程的特性，提出了各種工程檢測的參考頻率及布線要求；并總結(jié)了地質(zhì)雷達(dá)在各種工程檢測中的數(shù)據(jù)精度，供同類項目參考。

(3)地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)相對于傳統(tǒng)的檢測方法優(yōu)勢明顯，但也存在干擾多、檢測范圍不全、精度需經(jīng)驗糾正、對環(huán)境要求高等不足，如何通過操作方法、現(xiàn)場采取措施、經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累和處理來彌補(bǔ)這些不足，需要作進(jìn)一步研究，使地質(zhì)雷達(dá)有更為廣闊的應(yīng)用空間和檢測精度。

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