“三維一體化”探地雷達技術(shù)在道路評估中的應用研究

王瑾

（長江工程職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430212）

0 引言

21 世紀是科學技術(shù)飛速發(fā)展的時代，新科技在道路工程領(lǐng)域也逐步應用?！叭S一體化”探地雷達技術(shù)在很多領(lǐng)域得到應用，其在道路工程也展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

探地雷達技術(shù)的應用可以貫穿道路工程建設(shè)的各個階段，從地質(zhì)水文勘探，到施工階段的路基路面壓實及厚度情況，再到完工后的竣工驗收道路工程質(zhì)量的無損檢測等。甚至在后期的運營維護階段也能派上用場，我國大力興建道路網(wǎng)的同時，另一方面每年有數(shù)百萬公里的道路工程需要進行維修，三維探地雷達無損檢測技術(shù)與傳統(tǒng)的道路檢測手段相比在效率和精度上更能夠滿足現(xiàn)代化道路建設(shè)要求，其作為近年來新興的檢測技術(shù)也極大地提高了工作效率，為相關(guān)部門進行養(yǎng)護與維修方案提供科學依據(jù)。

1 探地雷達介紹

探地雷達也叫做地質(zhì)雷達，其主要是由發(fā)射、接收天線、控制單元的A/D 轉(zhuǎn)換、控制單元的采集和顯示器組成。

探地雷達的基本原理是先由位于地面上的發(fā)射天線發(fā)射一定頻率的定向電磁波，電磁波遇到地下目標體反射后返回地面并由接收天線進行接收的過程。

發(fā)射天線發(fā)射的高頻短脈沖（106～109Hz）電磁波在地下傳播過程中，由于通過介質(zhì)的阻擋，其波形、強度和路徑將會不斷變化，通過對波形的采集、分析，從而達到對地下目標體位置及結(jié)構(gòu)形態(tài)的探測。

探地雷達一般采用剖面法、共深點反射法、寬角法進行探測，這些方法都有優(yōu)缺點，具體采用的時候要因地制宜。探地雷達接收信號的強弱與目標體深度、反射特征、天線頻率、衰減等有關(guān)系，一般來說要想分辨率越高，天線頻率也要越高，但是探測深度就越淺，反之頻率低了，分辨率低了，探測深度也越深。探地雷達是一種復雜的工具，也是一種高效率的淺層探測技術(shù)，對于探測介質(zhì)的各項異性、衰減性和不均勻性，可以有效進行探測。探地雷達技術(shù)受到工程界的重視，其與傳統(tǒng)地球物理方法不同，具有獨特優(yōu)勢。從1970 年代，由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，探地雷達應用范圍不斷擴大，尤其在數(shù)據(jù)處理方面效率和精度得到大幅提升。

“三維一體化”探地雷達技術(shù)的高精度、高效、簡便、適應性強的特點，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

2 “三維一體化”探地雷達技術(shù)在道路評估中的應用

“三維一體化”探地雷達技術(shù)的應用非常廣泛，以下主要介紹幾種“三維一體化”探地雷達技術(shù)在道路評估中的應用。

2.1 探地雷達探測公路結(jié)構(gòu)層厚度及病害

眾所周知，公路包括面層、基層、墊層、基層、路基等，是分層的結(jié)構(gòu)。很早的時候探地雷達就已應用于路面厚度的檢測，正是由于公路的分層構(gòu)造，為探地雷達無損檢測提供物理基礎(chǔ)。

公路每一層的介電常數(shù)差異較大，主要是因為厚度、形狀、材料都有所不同，電磁波在各層的界面上都可以形成比較強的反射信號。當公路的各層厚度、形狀、材料基本穩(wěn)定，雷達剖面上就會形成接近水平的穩(wěn)定反射序列。相反，當公路的各層厚度、形狀、材料由于施工或者其他原因?qū)е掳l(fā)生變化，電磁波的頻率、路徑等也會隨之變化，雷達圖像也會發(fā)生變化。依據(jù)雷達剖面上的反射脈沖頻率、振幅等的變化，就可以對公路結(jié)構(gòu)層厚度及病害進行定性和定量評估，以便為下一步維修和加固提供數(shù)據(jù)支撐。

在工程中，一般采用400MHz～2GHz 天線進行連續(xù)測量觀測，可以有效探測各層的壓實度、厚度、含水量情況，還可以有效檢測路面板底脫空、不均勻沉降等病害。

將地質(zhì)雷達運用于道路檢測中，開展道路現(xiàn)場測試，還應將現(xiàn)場測試的鉆芯取樣結(jié)果與地質(zhì)雷達進行比對，明確各層的空間位置、厚度及病害。地質(zhì)雷達受一些因素干擾，精度可能受影響，因此將地質(zhì)雷達探測結(jié)果與鉆芯取樣進行比較，有利于校準儀器，也積累了相關(guān)經(jīng)驗，為后續(xù)地質(zhì)雷達的大面積推廣奠定基礎(chǔ)。對比之后驗證得出，地質(zhì)雷達能夠較好地探測各層厚度與病害，并且通過對雷達原始數(shù)據(jù)的處理，大大提高地質(zhì)雷達圖像的精度。

2.2 探地雷達探測公路隧道圍巖

由于其結(jié)構(gòu)和功能特殊，公路隧道容易出現(xiàn)漏水、襯砌開裂、脫空等病害，施工難度也是很大的。對這些質(zhì)量問題的檢測采用超聲波、打孔檢測法等方法有時候并沒有達到預期效果，另一方面探地雷達作為一種新型的無損檢測技術(shù)，對公路隧道質(zhì)量的檢測具有快速、準確等特點。

用探地雷達對公路隧道的勘察、施工、運營進行探測的應用是越來越廣泛，公路隧道位于一般位于地下，與道路結(jié)構(gòu)不一樣，其檢測的安全性要求也越來越高，由于效率和安全性較低，傳統(tǒng)的檢測手段不能滿足公路隧道的建設(shè)需求?！叭S一體化”探地雷達技術(shù)可以對隧道地質(zhì)水文情況、圍巖、襯砌空洞等內(nèi)部缺陷進行有效檢測，有利于發(fā)現(xiàn)導致隧道塌方、涌水等災害，保障隧道的安全施工和穩(wěn)定運營。

圍巖是公路隧道組成的重要部分，圍巖的分類分級、地質(zhì)情況直接影響公路隧道的質(zhì)量和安全。圍巖與襯砌及二次襯砌與初期支護之間的空洞、不密實等缺陷，導致結(jié)構(gòu)物之間存在明顯的介電差異，探地雷達正好利用這個介電差異，可以對公路隧道質(zhì)量進行有效檢測。

在實際測試過程中，要結(jié)合不同的精度和分辨率，采用合適的天線頻率。由于公路隧道工程襯砌的特殊性，可以采用500～1000MHz 收發(fā)同置天線。還要結(jié)合實測資料，測線布置要合理，采樣的點數(shù)、范圍、掃描率等要符合規(guī)定，以便準確獲得各項參數(shù)，提高檢測精度。

通過探地雷達探測出埋藏在介質(zhì)中的裂隙、斷層、空洞、含水層等情況，還要根據(jù)反射信號區(qū)分不同的介質(zhì)分界面，以精確標定其目標方位及深度。除此之外現(xiàn)場的圍巖實測資料也很重要，要與探地雷達結(jié)果進行對比分析，并優(yōu)化探地雷達結(jié)構(gòu)，以便對圍巖的穩(wěn)定性進行動態(tài)評估。

2.3 探地雷達探測公路地質(zhì)災害

近年來由于公路地質(zhì)災害所導致的工程事故層出不窮，出現(xiàn)許多車毀人亡的悲劇。在公路工程修建之前，用探地雷達技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況，可以讓線路及時避開，或者在修建過程中采用必要措施進行加固，就可以盡可能減少公路地質(zhì)災害所產(chǎn)生的影響。同時在公路建成之后的運營階段，也可以用探地雷達技術(shù)定期進行監(jiān)測，對突發(fā)公路地質(zhì)災害進行預警，有效保護人民群眾的財產(chǎn)和生命安全。

公路地質(zhì)災害通常有滑坡、崩塌、泥石流、裂縫、斷裂等，探地雷達技術(shù)在這些公路地質(zhì)災害中的應用越來越廣，是一種科學有效的勘探方法，可以快速、準確地對常見的公路地質(zhì)災害進行探測。探地雷達技術(shù)作為一種新型探測手段，可以對公路地質(zhì)災害進行全方位分析，為防治公路地質(zhì)災害提供理論基礎(chǔ)。探地雷達技術(shù)在工程實際過程中取得較好的效果，可以確定公路地質(zhì)災害的空間布局、形態(tài)，為進一步認識公路地質(zhì)災害和防治工作提供地球物理依據(jù)。

滑坡是比較常見的公路地質(zhì)災害之一，在山區(qū)尤為明顯?；率蔷哂谢衙娴?，滑坡的形成過程是復雜多樣的，滑坡的過程是緩慢且持續(xù)進行的，常常會導致路基錯斷，而導致交通中斷。運用探地雷達技術(shù)對滑坡進行探測并生成圖像，可以觀察出滑坡形成的規(guī)律。在探地雷達圖像中，可以分析造成滑坡的原因，是巖體破碎、裂隙發(fā)展，還是含水量等因素。通常在相同的巖體性質(zhì)情況下，滑坡體含水量的變化也會對探測結(jié)果產(chǎn)生影響。含水量大，電磁波被吸收得就強，反射自然就弱了，呈現(xiàn)出來的為暗色調(diào)圖像；相反含水量小，電磁波被吸收得就弱，反射自然就強了，呈現(xiàn)出來的為亮色調(diào)圖像。在探地雷達成像中，由于滑坡體和母巖的電性差別，可以確定滑坡體的形狀、厚度和寬度等。

公路地質(zhì)災害重在預防，要建立起一套行之有效的預警處置體系，不僅可以避免了工程事故的發(fā)生，還可以保障行車安全。探地雷達技術(shù)的興起，勢必會對預防公路地質(zhì)災害產(chǎn)生積極作用，也對公路工程建設(shè)等相關(guān)部門提供科學決策，提高應對突發(fā)公路地質(zhì)災害、防災減災的能力。

3 結(jié)語

以上介紹了幾種“三維一體化”探地雷達技術(shù)在道路評價中的應用，“三維一體化”探地雷達技術(shù)在我國道路評估中的應用越來越廣泛，體現(xiàn)出無損傷、效率高、精度高、抗干擾強等特點，可實現(xiàn)連續(xù)透視掃描及三維彩色圖像實時顯示，極大地提高了公路工程建設(shè)過程的效率，保障了工程質(zhì)量。

由于“三維一體化”探地雷達技術(shù)的潛力巨大，有著很廣泛的應用前景，隨著新科技的不斷發(fā)展，能夠在公路工程建設(shè)中更加方便、快捷地解決各種難題。