探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用前景

徐明波

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥　230051；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京　210096；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥　230051)

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探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用前景

徐明波1,2,3

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥230051；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京210096；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥230051)

摘要：文章基于工作應(yīng)用和其他研究成果的基礎(chǔ)上，概述探地雷達(dá)工作原理，列舉探地雷達(dá)應(yīng)用于公路工程檢測中的各種雷達(dá)波形與圖像特征，并對此進行解釋，預(yù)測探地雷達(dá)技術(shù)發(fā)展方向，展望探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：公路工程；探地雷達(dá)；無損檢測

1路基工程檢測中的應(yīng)用

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)，是一種高效無損探測儀器，目前已廣泛應(yīng)用于公路、機場、隧道、建筑、地下管線及地勘等諸多工程領(lǐng)域。

相對于傳統(tǒng)的鉆孔取芯和室內(nèi)試驗方法，采用探地雷達(dá)對路基進行檢測，具有快速、無損的特點，對于普查路基質(zhì)量狀況，準(zhǔn)確確定路基病害范圍，分析判定病害成因和種類，尤其對路基深層病害和地質(zhì)情況的探測能力，具有無可比擬的優(yōu)勢。

1.1路基不密實和高含水區(qū)

路基不密實病害一般是由于公路在建設(shè)初期壓實不夠或局部受水浸泡松軟引起，不密實區(qū)域內(nèi)的路基土含水率或孔隙率比周圍密實區(qū)大，由于不密實區(qū)土與周圍密實區(qū)土存在著電性差異，在雷達(dá)波形圖中常表現(xiàn)為不密實區(qū)邊界的反射波同相軸明顯錯動，分層不明顯，不密實內(nèi)部區(qū)域波形相對較均勻，通過波速和時長可計算出不密實區(qū)的深度和區(qū)域范圍，據(jù)此可應(yīng)用于路基不密實區(qū)和高含水區(qū)探測。

1.2路基脫空

探地雷達(dá)在探測路基脫空時，脫空空洞會使多次反射波很強，且持續(xù)一段時間，側(cè)向反射波不太強，具有局部孤立的特點。

反射的相位與入射波同向，與路基層表面的反射波相位相反，只要確定空洞上、下表面反射波相差時間，即可確定空洞深度和范圍，從而實現(xiàn)對路基脫空病害的探測。

1.3路基沉陷

路基沉陷會導(dǎo)致路基斷面變形和層位移動。路基沉陷異常在雷達(dá)剖面上主要表現(xiàn)為同相軸不水平，呈現(xiàn)一定的傾斜度，傾斜的深度與寬度則反映路基沉陷的范圍，依此實現(xiàn)對路基沉陷病害的探測。

1.4路基開裂

路基裂縫病害雷達(dá)探測如圖1所示。

圖1　路基裂縫病害雷達(dá)探測圖

由于地下裂縫、不均勻體對雷達(dá)波的電磁馳豫效應(yīng)和衰減、吸收，使雷達(dá)反射波波形局部發(fā)生畸變，畸變程度與地下裂縫、不均勻體的規(guī)模有關(guān)。路基中若存在空洞裂縫等，在雷達(dá)圖像上主要表現(xiàn)為呈低頻、大振幅特征的不規(guī)則強反射波及對正常結(jié)構(gòu)層反射波同相軸的扭曲、錯動等。圖1(a)所示為某市政道路路基裂縫病害探測圖，通過圖像解析，可知L2橫測線2.5～4.5 m位置、1.5～9 m深度范圍的雷達(dá)反射波同相軸不連續(xù)，推測地層結(jié)構(gòu)已受擾動；5～11 m區(qū)域的直線標(biāo)注位置反射波同相軸錯動，推測已形成裂縫。

1.5路基軟臥層及滑動面

路基軟臥層、滑動面造成地層發(fā)生突變，兩側(cè)土層或土壤性質(zhì)發(fā)生變化，表現(xiàn)在地質(zhì)雷達(dá)時間剖面上為反映地下地層界面上的雷達(dá)反射波同相軸明顯錯動，滑動面越嚴(yán)重，特征越明顯。

通過雷達(dá)波反映滑動面兩側(cè)反射波波形的不同，可判斷滑動面的位置和走向。圖1(b)中L1橫測線0～2 m區(qū)域為路邊欄桿干擾較嚴(yán)重，測線2～5 m位置、1～3 m深度范圍雷達(dá)反射波同相軸不連續(xù)，推測地層結(jié)構(gòu)已受擾動；5.5～6.8 m位置、5～6 m深度范圍的異常形態(tài)推測為管道施工形成的空洞；5～10 m區(qū)域的斜線標(biāo)注位置反射波同相軸錯動，推測該位置已形成滑動面。

2路面工程檢測中的應(yīng)用

2.1基層缺陷檢測

基層缺陷檢測典型雷達(dá)剖面如圖2所示。

圖2基層缺陷檢測典型雷達(dá)剖面圖

(1) 基層松散?；鶎赢a(chǎn)生部分范圍松散時，與周邊較均勻的介質(zhì)之間會存在某些材質(zhì)差異，當(dāng)雷達(dá)波穿透該松散區(qū)時，介電常數(shù)會發(fā)生變化，從而在雷達(dá)剖面圖上表現(xiàn)為波形較紊亂，與正常路段雷達(dá)圖像相比，層狀波形少，與空洞異常相比，多次反射波相對較少[1-3]?；鶎铀缮⒌湫屠走_(dá)異常剖面如圖2(a)所示。

(2) 基層局部脫空?；鶎泳植棵摽赵诶走_(dá)剖面上表現(xiàn)為多次反射波非常發(fā)育，波形呈上拱的弧形[3]，如圖2(b)所示。

(3) 基層破碎檢測?；鶎泳植柯范我蛎軐嵍炔痪鶆颉⑻钪幻軐?，受到超重荷載的反復(fù)沖擊，加之地表水和地下水的影響而產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，表現(xiàn)在雷達(dá)圖象上為反射波波形雜亂，起伏不定[3]，如圖2(c)所示。

2.2面層施工質(zhì)量檢測

2.2.1瀝青面層厚度

瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度是根據(jù)電磁波在各結(jié)構(gòu)層交界面的反射時間和各結(jié)構(gòu)層內(nèi)的傳播速度計算得到，而反射時間可通過雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與分析軟件自動求得，波速一般通過鉆孔厚度標(biāo)定或波幅計算求得，據(jù)此可算出面層厚度。

2.2.2瀝青面層壓實度及空隙率

利用探地雷達(dá)檢測瀝青面層壓實度主要是通過室內(nèi)試驗建立壓實度與瀝青混合料復(fù)合介電常數(shù)的關(guān)系式，檢測時，根據(jù)雷達(dá)反射波波幅求出瀝青結(jié)構(gòu)層的復(fù)合介電常數(shù)，再利用此關(guān)系式便可求出壓實度，而空隙率與壓實度是相互關(guān)聯(lián)的2個指標(biāo)，這樣也同時可測出空隙率。

2.2.3路面病害檢測

(1) 瀝青面層剝落。美國得克薩斯交通學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瀝青層未剝落時，GPR測試時的回波中僅有2個波峰，一個出現(xiàn)在路表，另一個在瀝青面層與基層的界面；當(dāng)出現(xiàn)剝落時，回波中路表反射與基層、面層界面反射間多了一個波峰；當(dāng)剝落程度較嚴(yán)重時，該波峰峰值增大，還發(fā)現(xiàn)1 GHz的空氣耦合式喇叭天線對剝落的識別效果較好。

(2) 路面結(jié)構(gòu)層裂縫。利用多層均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中垂直裂縫的雷達(dá)波響應(yīng)特征表現(xiàn)為一簇頂點位于裂縫鉛垂線上的雙曲線波組，包括一次散射波和二次散射伴隨波，且伴隨波雙曲線的頂點分別與各介質(zhì)分界面反射波同相軸相切的圖像特征，可探測路面結(jié)構(gòu)層裂縫[4]。

(3) 水泥混凝土面層脫空。當(dāng)路面積水未及時排出時，可能導(dǎo)致地表水下滲，使面層與基層之間逐漸疏松，局部甚至脫空。此時，層間介質(zhì)的介電常數(shù)差異較大，依據(jù)雷達(dá)波的界面反射與波的傳播特性，反射波明顯、傳播速度降低。根據(jù)反射系數(shù)強度變化判定脫空層的存在，再根據(jù)反射系數(shù)符號的正負(fù)，判斷脫空層的性質(zhì)。由計算得知,脫空層的存在將使該處的反射系數(shù)增大2～3倍,從而可用探地雷達(dá)成功探測脫空[5-6]。

3隧道工程檢測中的應(yīng)用

3.1隧道襯砌中鋼筋

探地雷達(dá)檢測隧道襯砌時，襯砌中的鋼支撐及鋼筋網(wǎng)均屬于金屬導(dǎo)體，雷達(dá)波從水泥混凝土介質(zhì)入射到導(dǎo)體表面時，由于金屬導(dǎo)體中電磁波速為0，不能傳播。鋼筋對于電磁波的能量幾乎全都反射回來，反射系數(shù)接近1。用高頻天線探測，鋼筋形成清晰的反射弧，呈半張開的傘形。因此，能可靠地檢測出鋼筋網(wǎng)密度、鋼筋粗細(xì)及布置位置[7]。

3.2隧道襯砌厚度

襯砌為混凝土組成，與圍巖材質(zhì)不同，介電常數(shù)不同，當(dāng)雷達(dá)波穿透襯砌和圍巖時，圍巖的反射波明顯，高頻波多，混凝土較均質(zhì)時內(nèi)部反射波較少，只在缺陷處有反射波，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，可區(qū)分不同物質(zhì)界面,據(jù)此可以檢測出襯砌的厚度[8]。

3.3隧道襯砌空洞及脫空

由于空洞及脫空與圍巖的介電常數(shù)差異較大，故在空洞處會產(chǎn)生明顯的強反射，雷達(dá)波形呈典型雙曲線形狀，由雷達(dá)波形圖和剖面圖解釋，可計算出襯砌內(nèi)空洞的位置及大小，如圖3所示。

圖3　某隧道襯砌空洞典型雷達(dá)剖面圖

圖3中18.5～19.5m和29～30 m段雷達(dá)波形呈雙曲線形狀，為二襯砌與初期支護間空洞。

3.4隧道施工超前預(yù)報和監(jiān)控

(1) 斷層和破碎層。雷達(dá)波穿越斷層或破碎層界面時反射波強烈,反射面的波幅增強, 反射波同相軸的連線即為破碎帶的位置。

(2) 溶洞和空洞。雷達(dá)回波特征基本相似，灰度圖上表現(xiàn)為一組弧形強反射波,其后常伴隨一組幅度較低的多次強反射弧。小空洞的弧形表現(xiàn)明顯,大空洞往往表現(xiàn)為波浪形的強反射或呈亮白色。

(3) 富水層和地下水。雷達(dá)波對水和含水率高的介質(zhì)反射強，反射波強度大；從含水層反射的雷達(dá)波，相對于入射波，其相位會反相(相差180°)，高頻成分被吸收，反射波的頻率降低，以此判斷地質(zhì)中的富水層或地下水。

4橋梁工程檢測中的應(yīng)用

4.1橋頭搭板脫空

如圖4所示，橋頭搭板脫空反映在雷達(dá)剖面上，與下部整體脫空的圖像較相似，同相軸比較長，但波長不一樣，圖形與混凝土路面脫空有一定相似性[3]。

圖4　橋頭搭板脫空典型雷達(dá)剖面圖

4.2梁板預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實性

預(yù)應(yīng)力鋼絞線孔道壓漿中有空洞時，雷達(dá)圖形表現(xiàn)為低頻高振幅反射波，開口向下圓弧形同相軸，缺陷埋深淺，圓弧開口較小，反之開口大，預(yù)應(yīng)力鋼絞線孔道壓漿中缺陷為矩形空洞，雷達(dá)圖像為低頻高振幅反射波，同相軸中部為平板，兩端為半支開口向下圓弧[9]。

4.3其他應(yīng)用

(1) 水泥混凝土內(nèi)部缺陷檢測。水泥混凝土內(nèi)部若存在離析、空洞等缺陷時，缺陷部位與非缺陷部位的介電常數(shù)會存在差異，電磁波穿透界面時會產(chǎn)生強反射，且波形不連續(xù)，結(jié)合波速和反射波傳播時間，從而可實現(xiàn)對混凝土內(nèi)部缺陷的空間定位和形態(tài)判斷。

(2) 梁板孔腔積水探測。橋梁運營過程中，梁板頂部出現(xiàn)裂縫或破損，會使雨水滲入孔腔積水，或由于施工造成的梁板內(nèi)孔腔積水，長期積水后會引起梁板內(nèi)鋼筋銹蝕，降低橋梁承載能力和耐久性。利用混凝土和水的介電常數(shù)值差異較大，探地雷達(dá)可識別出梁板孔腔內(nèi)有無積水。

5結(jié)束語

隨著探地雷達(dá)檢測技術(shù)的提高，其應(yīng)用范圍將不斷擴大，同時也要求探地雷達(dá)系統(tǒng)具有更高的分辨率和更大的穿透深度，提供更豐富的介質(zhì)信息。研發(fā)應(yīng)用變頻天線可使雷達(dá)系統(tǒng)變得更加輕巧和方便，它可用各種頻率掃描并進行綜合分析，從而獲得更豐富的介質(zhì)信息，克服單頻率雷達(dá)系統(tǒng)缺陷，并可實現(xiàn)時間傾角掃描疊加技術(shù)，實現(xiàn)對檢測對象的高質(zhì)量三維成像，這是探地雷達(dá)發(fā)展的新方向[10]。在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方面，反褶積和偏移技術(shù)是當(dāng)前的兩大熱門課題。開發(fā)精度更高、實現(xiàn)對數(shù)據(jù)與圖像自動識別、分析處理，以及各種專用探地雷達(dá)將是一個新的研究課題。

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收稿日期：2016-04-01；修改日期：2016-04-11

作者簡介：徐明波(1974-)，男，安徽合肥人，安徽省公路工程檢測中心高級工程師．

中圖分類號：U416.2；P225.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0208-04