淺析探地雷達在公路建設(shè)中的應(yīng)用

王江飛

（河南中原高速公路股份有限公司，河南鄭州　450000）

淺析探地雷達在公路建設(shè)中的應(yīng)用

王江飛

（河南中原高速公路股份有限公司，河南鄭州450000）

隨國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國家基礎(chǔ)建設(shè)投資規(guī)模不斷增大，公路工程質(zhì)量控制得到空前重視?；谔降乩走_高精度、連續(xù)的無損檢測方式，其在公路面基層厚度和路面下存在缺陷檢測中的應(yīng)用日益得到重視。本文對其在公路建設(shè)前期的地質(zhì)勘察、施工質(zhì)量檢測和后期維護中的應(yīng)用實例加以分析，最后就探地雷達技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用前景作一展望。

探地雷達基本原理公路缺陷路面探測

1　概述

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。交通是國民經(jīng)濟的命脈，它的迅速發(fā)展直接影響國民經(jīng)濟，在整個交通運輸體系中，公路又是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。近幾年來，國家每年投資成巨大資金用來修建公路，全國的高速公路迅猛發(fā)展，形勢十分喜人。但同時也產(chǎn)生了一些新的問題，如現(xiàn)有落后的公路檢測手段和高速發(fā)展的公路建設(shè)之間的矛盾，怎樣保證又快又好地檢測施工質(zhì)量，如何提高公路養(yǎng)護管理的水平等，都是一些亟待解決和探討的問題［1］。本文對其在公路建設(shè)前期的地質(zhì)勘察、施工質(zhì)量檢測和后期維護中的應(yīng)用實例加以分析，最后就探地雷達技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用前景作一展望。

2　探地雷達基本原理

2.1探地雷達檢測原理［2-4］

探地雷達是利用主頻數(shù)十至數(shù)千兆赫的高頻電磁波由地面發(fā)射天線（T）送入地下，以寬頻帶短脈沖形式發(fā)射傳播，而后通過地下介質(zhì)界面反射，通過地面一天線（R）接收。如果地下結(jié)構(gòu)有多層介質(zhì)時，則反射波通過不同介質(zhì)時均要反射，此種狀況反射波為多次反射波。探地雷達主要是通過接收天線和發(fā)射天線互相接收電磁波進行工作，并且發(fā)射天線與接收天線距離非常近，現(xiàn)在很多設(shè)備將兩種天線并為一根天線。在公路面層檢測時，因介質(zhì)不同并且界面傾角比較小，反射路徑與地面幾乎垂直。因此，在測線的不同位置上，電磁波通過介質(zhì)的雙程走時的變化就反映了檢測目的層厚度的變化。

2.2探地雷達系統(tǒng)原理

探地雷達工作時，在雷達主機控制下，是通過脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號傳輸給發(fā)射天線，發(fā)射天線傳輸信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體或者均勻面時，產(chǎn)生反射信號，地面接收天線接收反射信號后直接傳輸?shù)浇邮諜C；接收機對信號進行整形和放大等處理后通過電纜傳輸?shù)竭_雷達主機，而后傳輸?shù)轿C。在微機中對信號根據(jù)信號幅度的大小進行詳細的編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，經(jīng)事后處理，技術(shù)人員可用來判斷地下目標的深度、大小和方位等特性參數(shù)。

圖1　探地雷達成像圖

3　探地雷達基本技術(shù)［5］

3.1天線頻率的選擇

通常情況下，簡易路面厚度為10～20cm、高等級公路路面厚度為20～30cm、機場跑道面層厚度為40cm。在檢測中需根據(jù)檢測目標界面的埋深，選擇合理的天線中心頻率，方可取得最佳效果。天線中心頻率的選擇要兼顧目標深度、目標最小尺寸以及天線尺寸是否符合場地需要。在滿足分辨率且場地條件許可的情況下，應(yīng)盡量選擇中心頻率低的天線。3影響探地雷達測厚精確度的幾個主要參量作為探地雷達，它所面對的是十分復(fù)雜的對象，有很多未知而不定的因素。因此，正確的操作，合理的使用，綜合的分析，才能減少誤差，達到規(guī)定要求的精確度。應(yīng)用探地雷達進行檢測時，首先要調(diào)整好波形，選擇適當?shù)臅r間窗口、步長（測點距）等，以獲取最佳信息。有了全部信息，要從中提取出路面的真實厚度值，必須確定以下幾個主要參量，即底界面的回波、地面零點和路面的介電常數(shù)。能否正確地確定這些參量，會直接影響探測厚度的精確性。

3.2確定底界面的回波

由于目前還不能從原始波形中直接精確區(qū)分路面與路基界面的反射回波，因此，如何提取界面回波信號是解決問題的核心。干擾波形狀很有規(guī)律性，因此可以用相關(guān)分析的方法來抑制干擾波或雜波。在實際操作中，選擇路面結(jié)構(gòu)中最厚點作為參考點，利用一個不含界面反射信號的回波信號與含有界面反射信號的回波信號進行相關(guān)分析，得到一個比較準確的底界面回波信號，計算出回波時間。而后在探測圖像上尋找多個點進行分析對比，直至底界面回波信號顯示清晰滿意為止。則參考點就可以通過探測的波形分析來確定，或選用已有鉆探的最大厚度的探測點作為參考點。

3.3確定地面零點

有了底界面的回波時間，還必須正確判定地表面的位置，才能確定電磁波在面層中的實際傳播時間。地面零點判斷不正確，就會直接影響厚度值的讀數(shù)。在探測前，可以先把一塊金屬板放在收發(fā)天線下面，這時顯示屏上得到的是一個很強的全反射波形；拿掉金屬板，顯示屏上出現(xiàn)雷達波對路面的反射波形；這兩種波經(jīng)過相關(guān)對比分析，很容易確定地面水平零線反射波的位置。

3.4標定路面的介電常數(shù)

設(shè)定合適的路面介電常數(shù)是保證路面厚度值探測精度的關(guān)鍵參數(shù)，由于介質(zhì)的介電常數(shù)受很多因素的影響，如路面材料、結(jié)構(gòu)變化、施工工藝、密實程度、含水量等，各探測點的介電常數(shù)會出現(xiàn)差別。為了保證檢測結(jié)果的有效性和可信度，必須進行標定，通常采用的是鉆孔取樣。取樣點的選擇可以在探測圖像中尋找比較均勻、有代表性的地段以及面層最厚和最薄的特殊點。這樣，可以從多方面進行標驗，選擇出最合適的介電常數(shù)值。這種方法，經(jīng)實際使用，厚度檢測的效果良好，探測精度誤差可控制在±5%以內(nèi)。

4　探地雷達在工程建設(shè)中的應(yīng)用

4.1道路建設(shè)與管理中的應(yīng)用探地雷達可成清晰直觀的圖像，并且精度比較高；故公路興建前，探地雷達可用于對預(yù)定建設(shè)路段的地質(zhì)基礎(chǔ)進行勘察，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)，劃分不良地質(zhì)體（流砂體、暗河、暗塘、墓穴等），路基下是否埋設(shè)了電纜和管線等，為道路設(shè)計提供地質(zhì)基礎(chǔ)的依據(jù)。

4.2公路建設(shè)過程中和竣工驗收時的應(yīng)用

目前，探地雷達技術(shù)已經(jīng)可以精確測量路面面層厚度，效果良好。多次工程探測結(jié)果表明，其平均誤差可以達到≤±5mm；還可成像顯示各層結(jié)構(gòu)的均勻性，圈定質(zhì)量不合格地段的范圍，因此，使用道路探測雷達可以實時監(jiān)控路面的施工質(zhì)量，在施工各個階段中，分階段跟蹤進行質(zhì)量檢測，從打地基到鋪面層，鋪一層快速檢測一層，并將實時檢測結(jié)果打印，現(xiàn)場分析，有問題及時發(fā)現(xiàn)和糾正；這樣不但能保證施工質(zhì)量，還大大節(jié)約了一旦返工所造成的費用損失。

4.3道路使用維護期的應(yīng)用

道路投入使用后，應(yīng)用道路探測雷達可進行道路狀態(tài)的日常維護監(jiān)察、階段性路基質(zhì)量普查、路基內(nèi)隱性災(zāi)害或病害（如裂縫、下陷、脫空、變形）的探測，及時發(fā)現(xiàn)路面下的問題，防患于未然。

某高速開通后不久，路面上就出現(xiàn)許多塌陷，給行車安全帶來嚴重影響。利用探地雷達對道路下巖層結(jié)構(gòu)進行了全面排查。圖1是探地雷達配置GC100MHz天線檢測得到的一幅雷達剖面，可以看出該地區(qū)巖石均勻且衰減小，雷達剖面背景干凈，從淺至深的異常反應(yīng)明顯：上部明顯的雙曲線反應(yīng)對應(yīng)過路的管道，下部出現(xiàn)多處幅度和相位異常，后經(jīng)開挖檢驗，發(fā)現(xiàn)多處裂隙，找到了路面發(fā)生裂縫和沉降的原因。最后經(jīng)分析處理，圈定地下裂隙和溶洞近100處，為全面整治提供了第一手資料，避免了公路反復(fù)養(yǎng)護帶來的人力物力浪費，快速消除了行車安全隱患。

5　結(jié)論及應(yīng)用前景展望

通過近年來的工程實踐可以認為探地雷達是一種快速高效、安全的無損檢測方法，該方法只要少量鉆孔配合以了解公路的結(jié)構(gòu)及地層變化情況。探地雷達無論是在道路厚度質(zhì)量檢測，還是病害隱患檢測，都將產(chǎn)生顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］金桃，張美珍.公路工程檢測技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］帕提古麗.亞森.淺談探地雷達在公路檢測中的應(yīng)用［J］.民營科技，2010.10.

［3］于景蘭等，探地雷達探測地下目標時的波速估計，地球物理學進展，Vol.18，No.3，2003.

［4］趙占星.洪水星等，探地雷達在乘泗外海防浪堤工程檢測中的應(yīng)用［J］.工程勘察，1997.（1）：70-72.

［5］杜樹春.地質(zhì)雷達及其在環(huán)境地質(zhì)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，1996.20（5）：384-392.