三維探地雷達的典型病害識別檢測與應(yīng)用

馬一飛

（邢臺市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北 邢臺 054000）

目前，我國高速公路在響應(yīng)綠色基建的理念背景下，由原先注重投資額度、以犧牲環(huán)境為代價的粗放模式，逐步轉(zhuǎn)為高質(zhì)量、綠色發(fā)展的新型可持續(xù)模式。三維探地雷達路面病害無損檢測屬于高質(zhì)量養(yǎng)護的一種創(chuàng)新形式，本文通過分析三維雷達的檢測原理、統(tǒng)計檢測結(jié)果，總結(jié)了這種檢測方法的優(yōu)缺點，為今后高速公路養(yǎng)護、改擴建檢測提供了一種新思路。

本文在某高速公路區(qū)間的檢測路段應(yīng)用三維雷達，檢測路段總長度約為3km，大部分采用雙向六車道設(shè)計，兩側(cè)分布有應(yīng)急車道。經(jīng)初步分析和實地勘察，認為該路段下方有極大概率存在空洞、不密實、脫層等質(zhì)量病害，具體位置可能位于結(jié)構(gòu)層或路基下面層。為精確病害位置，試驗擬采取全球定位系統(tǒng)初步確定，再使用便攜式探地雷達和手持RTK定位裝置復(fù)測，最后根據(jù)病害嚴重程度給出相應(yīng)的處治建議。

一、工作原理及設(shè)備

三維探地雷達是近年來新興的一項技術(shù)，其工作原理是通過高頻電磁波的傳播與反射信息，經(jīng)過技術(shù)手段轉(zhuǎn)換與處理，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部雷達圖像的呈現(xiàn)。其中，高頻電磁波由天線發(fā)出，于路面構(gòu)造介質(zhì)中傳播，并在介電常數(shù)各異的物質(zhì)接觸面處發(fā)生反射，再由天線接收獲取后，經(jīng)過去噪、濾波及模型構(gòu)建等技術(shù)處理，從而獲得路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的雷達顯示圖像。該系統(tǒng)能實現(xiàn)地毯式高速公路檢測，借由雷達數(shù)據(jù)形成的圖像切片，分析地下異常部位，包括位置、形狀及病害類型等，并提出施工建議。此次檢測任務(wù)應(yīng)用的設(shè)備為GPRMIMO4003D10RS型陣列探地雷達系統(tǒng)。

二、數(shù)據(jù)采集及處理

由于檢測路段車流量較大，白天出行車輛較多，不具備探測條件，因此選擇夜間23時之后對該路段的所有車道開展三維探地雷達掃描探測，數(shù)據(jù)采集過程中，采用差分GPS定位及距離觸發(fā)相結(jié)合的方式工作。

（一）數(shù)據(jù)處理

三維探地雷達采集的數(shù)據(jù)為原始雷達數(shù)據(jù)，在分析雷達數(shù)據(jù)前，需要提前消除數(shù)據(jù)中的干擾信號，提高信噪比，增強數(shù)據(jù)的可讀性，提高病害識別的準確性。采用主要的雷達數(shù)據(jù)處理方法有去除零偏、增益調(diào)節(jié)、FIR濾波、背景消除等。得到可讀性強的三維雷達數(shù)據(jù)后，逐一分析每一車道每條測線的數(shù)據(jù)，標注并導(dǎo)出每個病害的GPS坐標位置。

（二）現(xiàn)場定位

根據(jù)三維探地雷達的檢測結(jié)果，確定異常區(qū)域并導(dǎo)出病害GPS坐標后，再通過手持RTK定位裝置確定病害的位置，使用便攜式通用探地雷達定位點復(fù)測，進一步精確病害位置。

（三）典型病害識別

高速公路病害的種類較多，常見的早期病害包括裂縫、車轍、表面破損、地下裂隙、脫空、空洞等，后期如果伴隨地下管線漏水、雨水沿裂縫的滲透沖刷侵蝕，道路下土壤會流入年久失修坍塌的防空洞等地下工程或暗河中，導(dǎo)致路面塌陷。由于很多病害無法通過肉眼觀測到，因此需要借助無損檢測手段，定期開展養(yǎng)護檢測，建立包括地表、地下、分布范圍、不同時期的道路狀況四維數(shù)據(jù)庫，針對不同的病害種類及等級，采取相對應(yīng)的處治方法。

1.正常路面基層的標準雷達異常圖像

正常施工后的路面為層狀，不同層面上的填筑材料的介電性存在某些差別，所以相應(yīng)的基層標準雷達圖像的色譜圖應(yīng)當顯示為水平層次方向的延展，且同一層內(nèi)的信號強度類似，表現(xiàn)為沒有顯著的突變。

2.富水體

結(jié)構(gòu)層中的富水體介電常數(shù)較大，且富水程度越高，與普通土體的介電常數(shù)差值越大，表現(xiàn)為雷達圖譜上的頂部反射信號增大，而下面則衰減迅速，如圖1所示，同向軸較連續(xù)，頻率通過水的濾波作用降低。

圖1 道路下富水體雷達剖面

3.公路局部不密實

在路面基層內(nèi)有破碎、疏松等病害現(xiàn)象時，此區(qū)域的介電常數(shù)將有突變，導(dǎo)致反射信號顯著，探測器中接收的雷達剖面圖像出現(xiàn)異常情況。一般非密實土體與密實土體的交界處會存在較大幅度的反射差值，具體不密實范圍的邊界確定方式為：正常的連續(xù)反射波遇到非密實土體時，其同向軸將出現(xiàn)斷開或發(fā)生凹凸升降，波長變大，波幅晃動，并存在顯著的波組特征，如圖2所示。

圖2 道路結(jié)構(gòu)層不密實雷達剖面

4.局部脫空或空洞

對于一般的土體而言，其相對介電常數(shù)的數(shù)值處于6～40范圍內(nèi)，而在空洞與脫空位置，相對介電常數(shù)為1。因此，不同土層之間的介電性差異非常顯著，此時雷達波的反射界面將尤其顯著，同時波的傳遞速度變小。在雷達圖譜上，此種病害的表現(xiàn)形式為反射的信號能量增大，頻率、振幅及相位等均發(fā)生突變，同時空洞區(qū)域下方存在多次反射波，且有繞射現(xiàn)象發(fā)生于邊界處，如圖3所示。

圖3 道路空洞探地雷達剖面

5.鋼筋、管線及規(guī)則形狀異常干擾

由于公路具有復(fù)雜的特性，因此探測環(huán)境中異常目標較多，如圖4所示。這些異常目標通常形狀規(guī)則，能夠通過陣列探地雷達的成像剔除，避免發(fā)生誤判。

圖4 管線探地雷達剖面

三、數(shù)據(jù)解釋及病害統(tǒng)計

案例中某高速公路區(qū)間的檢測路段平路測量長度約為3km，檢測區(qū)域包括雙向六車道，以及兩側(cè)分布的應(yīng)急車道。初次篩選得到23處可疑病害點位置，經(jīng)過進一步復(fù)測除去14處，保留9處病害位置，病害位置信息如表1所示。

表1 某高速公路病害信息及處理建議

四、結(jié)語

本文以某高速公路為試驗路段，充分證明三維雷達能夠準確檢測高速公路路面結(jié)構(gòu)中的裂縫、空洞、破碎等病害。但這種檢測方法也存在一些弊端，包括無法準確判斷半剛性基層的細小裂縫、三維雷達檢測通車路段時速率較慢。因此，建議相關(guān)人員在運用時提高數(shù)據(jù)采集、處理效率，為后續(xù)處治高速公路路面結(jié)構(gòu)病害打下基礎(chǔ)。