基于探地雷達(dá)的道路工程探測(cè)研究綜述

胡昕 陶國(guó)志 覃育祥 李瑤瑤

摘 要：由于具有無(wú)損探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，探地雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于道路勘探、工程質(zhì)量檢查等工程建設(shè)、檢測(cè)領(lǐng)域。探地雷達(dá)很早之前就已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于道路工程中，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用都有了一定的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟。本文介紹了探地雷達(dá)的基本原理，回顧了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于探地雷達(dá)在道路工程中的應(yīng)用與研究的進(jìn)展和成果，總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀然后結(jié)合無(wú)損檢測(cè)的特性對(duì)探地雷達(dá)在道路工程上的發(fā)展提出預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);道路工程;無(wú)損檢測(cè)

0 前言

道路象征了歷史文明，促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展、文明的進(jìn)步。現(xiàn)代道路是科學(xué)進(jìn)步的標(biāo)志，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的象征。盡管我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)近些年來(lái)突飛猛進(jìn)，各類道路里程不斷增長(zhǎng)，但我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比依然存在差距。由于我國(guó)近代道路建設(shè)起步較晚，所以高速公路總量、面積、密度和通信能力都相對(duì)偏低。國(guó)、省干線公路的改造，農(nóng)村公路的建設(shè)，各級(jí)公路的養(yǎng)護(hù)、維修和改造等任務(wù)仍然很艱巨。城市道路的供需矛盾仍很突出，城市道路交通的擁堵，安全和環(huán)保等問(wèn)題需要我們進(jìn)一步努力解決。探地雷達(dá)技術(shù)作為新興的無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)道路的養(yǎng)護(hù)、提升施工質(zhì)量等具有重要意義[1]。

1 工作原理及發(fā)展歷程

探地雷達(dá)是利用高頻電磁對(duì)地表下結(jié)構(gòu)和埋設(shè)物進(jìn)行探測(cè)的新型無(wú)損探測(cè)儀器。它的工作方法類似于地震，由于電磁渡能夠穿透地表，探地雷達(dá)向地下發(fā)射電磁渡，當(dāng)電磁渡在地下遇到地質(zhì)材料特性發(fā)生變化的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，通過(guò)接收反射回來(lái)的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)中的參數(shù)，解譯出目標(biāo)深度、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。經(jīng)放大、數(shù)字化處理和顯示，為解釋提供必要的數(shù)據(jù)和圖像[2]。

二維探地雷達(dá)主要是利用電磁波的反射原理，根據(jù)地下介質(zhì)的介電系數(shù)不同進(jìn)行判斷，見(jiàn)圖1[3]。而傳統(tǒng)的二維探地雷達(dá)利用一對(duì)接收天線回收信號(hào)獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波技術(shù)和反演技術(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)三維成像。而這種技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)局部的三維成像，未能演示出地下整體真實(shí)的結(jié)構(gòu)。真三維探地雷達(dá)采用陣列式天線，多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)工作，多個(gè)接收天線可以接收到任意一個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)，這就做到了真三維數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維采集，實(shí)現(xiàn)三維成像，見(jiàn)圖2[3]。

從1904年德國(guó)人Hutsemeyer利用電磁波信號(hào)探測(cè)地下金屬體開(kāi)始，探底雷達(dá)便逐漸開(kāi)始被運(yùn)用。Letmjbach和lawy在1910年提出了探地雷達(dá)的概念，他們?cè)趯＠欣寐裰玫膬蓚€(gè)偶極天線接收信號(hào)的區(qū)別來(lái)對(duì)地下媒介進(jìn)行定位。1926年，Hutsemeyer正式提出了利用高頻脈沖電磁波探測(cè)地下物質(zhì)，他發(fā)現(xiàn)了在介電常數(shù)不均勻的介質(zhì)交界面上電磁波會(huì)發(fā)生反射，這個(gè)發(fā)現(xiàn)就是探地雷達(dá)后期研究的基本理論。直到20世紀(jì)80年代，探地雷達(dá)雖有了一定的發(fā)展，但其應(yīng)用被技術(shù)不足所局限，以至于其應(yīng)用只在冰層、巖鹽等對(duì)電磁波吸收較弱的物質(zhì)。在20世紀(jì)80年代之后，電子科技技術(shù)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)越發(fā)成熟，被廣泛應(yīng)用，探地雷達(dá)技術(shù)開(kāi)始了快速發(fā)展，葉超強(qiáng)、劉斌清等人在《探地雷達(dá)技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用綜述》中介紹到：國(guó)內(nèi)中科院長(zhǎng)春地理研究所的SI2R型探地雷達(dá)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所的LTD探地雷達(dá)，東南大學(xué)研發(fā)的GPR型探地雷達(dá)等。國(guó)外美國(guó)地球物理探測(cè)設(shè)備公司（GSSI）的SIR系列，日本應(yīng)用地質(zhì)式會(huì)社（OYO）公司的Georadar系列等[1，2]。

2 探地雷達(dá)在道路工程中的應(yīng)用

王春暉、楊強(qiáng)等人在《探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及其在公路工程中的應(yīng)用綜述》中對(duì)探地雷達(dá)在道路工程中的應(yīng)用介紹得十分詳細(xì)，重點(diǎn)如下：

（1）在道路工程前期對(duì)地質(zhì)地基進(jìn)行勘察探測(cè)，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)，排查出流沙、暗河等不良地質(zhì)體[2]。

（2）在道路工程施工期間，可強(qiáng)化施工管理。例如∶①及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì);②計(jì)算面層用料;③讓施工單位自覺(jué)嚴(yán)把質(zhì)量[2]。

（3）在道路投入使用后，探地雷達(dá)可用于道路的日常探測(cè)監(jiān)察，及時(shí)排查路基路面結(jié)構(gòu)存在的隱患。路用探地雷達(dá)大多應(yīng)用在道路的后期檢測(cè)維修上，如：①路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè);②缺陷識(shí)別;③基層材料評(píng)價(jià);④針對(duì)裂縫開(kāi)展探測(cè)和跟蹤，研究裂縫成因，制定合理的維護(hù)方案;⑤探測(cè)瀝青與集料之間的剝落以及瀝青面層與基層之間的脫開(kāi);⑥對(duì)混凝土板下的脫空進(jìn)行識(shí)別，以及時(shí)掌握路況條件，做到預(yù)防性維護(hù);⑦識(shí)別橋面內(nèi)部缺陷，對(duì)橋面進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)[2]。

3 展望與結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)快速、便捷、無(wú)損、精度高。傳統(tǒng)的探測(cè)方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路空洞的快速無(wú)損探測(cè)對(duì)道路管理和養(yǎng)護(hù)具有重大的意義。

探地雷達(dá)未來(lái)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，在三維成像技術(shù)方面李世念、尹光輝等人提出了一種基于時(shí)域有限差分法（FDTD）的GPR三維逆時(shí)偏移算法，能夠精確重構(gòu)異常體的三維空間形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，極大地提高了雷達(dá)剖面的分辨率。建立人工智能的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)處理和對(duì)道路淺地表全三維直觀成像，將是其未來(lái)發(fā)展的方向[4]。

本文對(duì)探地雷達(dá)的基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)述，簡(jiǎn)單介紹了探地雷達(dá)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展過(guò)程，對(duì)前人利用探地雷達(dá)探測(cè)道路方面的研究進(jìn)行了總結(jié)并作出了進(jìn)一步的展望。目前探地雷達(dá)在道路工程方面的研究已較廣，也存在一些不足，還有進(jìn)一步研究發(fā)展的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉超強(qiáng)，劉斌清，禤煒安，等.探地雷達(dá)技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用綜述[J].道路工程，2018（6）：38-40+105.

[2]王春暉，楊強(qiáng)，陳長(zhǎng)，等.探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及其在公路工程中的應(yīng)用綜述[J].中外公路，2007，27（4）：211-213.

[3]司友強(qiáng)，咼潤(rùn)華，李夢(mèng)茹.道路空洞無(wú)損探測(cè)技術(shù)發(fā)展研究[J].公路，2020（2）：29-32.

[4]馬永輝，鄭文青，遲曉雙.基于GPRSIM的道路地下病害體探地雷達(dá)正演模擬研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（22）：8898-8903.