探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用分析

李鵬晶LI Peng-jing

（湖南省勘測設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410000）

0 引言

公路在長期使用的過程中，結(jié)構(gòu)性能會(huì)受到各種因素的影響，因此，需要對(duì)其進(jìn)行定期檢測，以保證綜合性能。其中，無損檢測技術(shù)能在不影響交通、不破壞公路原有結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行檢測。近年來，探地雷達(dá)作為一種無損檢測設(shè)備，因具有非破壞性、速度快、精度高、攜帶方便、低交通影響等特點(diǎn)，在道路無損檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 公路工程檢測要求

公路在投入使用一段時(shí)間后，由于外界因素的影響，以及施工中的一些問題，會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)不同程度的病害。因此，為保證公路工程的使用性能，必須進(jìn)一步完善試驗(yàn)檢測工作，明確公路存在的病害，并結(jié)合病害情況制定合理的養(yǎng)護(hù)、維修方案。

路面損壞檢測中主要采用目測法和探地雷達(dá)法，目測法是一種最直觀簡便的檢測方法，該方法是通過檢測人員觀測、調(diào)查，從而直接確定公路的損壞情況，直接確定病害的種類、程度、位置。探地雷達(dá)法是一種高效先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，主要是通過探地雷達(dá)對(duì)路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘探，再向地面接收設(shè)備發(fā)射電磁脈沖，接收到電磁脈沖后可以結(jié)合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，從而得到路面受損的情況、位置。與目測法相比，使用探地雷達(dá)法檢測路面病害更快速、準(zhǔn)確，但是成本更高，對(duì)試驗(yàn)檢測人員的專業(yè)素質(zhì)要求更為嚴(yán)格，因此，針對(duì)可以直接觀測的部位采用目測法，針對(duì)無法觀測的位置采用探地雷達(dá)法。

早在1904 年，德國人Letmbach 實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的第一次應(yīng)用，在遠(yuǎn)距離金屬物體探測中應(yīng)用了電磁波信息技術(shù)。1910 年，Lowy 教授和G·Leimback 將雷達(dá)技術(shù)用于探地。從19 世紀(jì)70 年代開始，探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到隧道工程和公路、鐵道探測領(lǐng)域，到80 年代后期，西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)很成熟地將雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在公路檢測領(lǐng)域。1994年，美國發(fā)明了第一臺(tái)公路型探地雷達(dá)，同時(shí)應(yīng)用了雷達(dá)技術(shù)，解決了探測公路結(jié)構(gòu)層病害的問題。20 世紀(jì)90 年代初，吉林省某單位第一次使用探地雷達(dá)檢測了高速公路，隨后河北某單位使用探地雷達(dá)檢測了公路的厚度，廣東物探隊(duì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)場跑道病害檢測，往后幾年，探地雷達(dá)被我國的技術(shù)人員應(yīng)用到許多工程領(lǐng)域，如隧道、鐵路、公路和橋梁等。近十幾年，隨著現(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，以及國外相關(guān)公司（如瑞典MALA 公司、美國GSSI、意大利IDS 等）對(duì)探地雷達(dá)研發(fā)的不斷精進(jìn)，使得探地雷達(dá)技術(shù)越來越成熟。本文主要圍繞探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用展開詳細(xì)分析。

2 探地雷達(dá)檢測原理及其應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 探地雷達(dá)檢測原理

探地雷達(dá)是一種利用電磁脈沖能量進(jìn)入地面，從地面成分及物體中產(chǎn)生反射的技術(shù)。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波進(jìn)入地面，在通過不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的反射，通過分析接收到的反射波波形、振幅強(qiáng)度等信息，然后通過軟件對(duì)這些反射波進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)化為平面圖或地圖投影，判斷出地下病害的位置、范圍、大小、深度等情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路內(nèi)部情況的“透視”，為公路的安全進(jìn)行深度“體檢”。

探地雷達(dá)是由一體化主機(jī)、天線及相關(guān)配件組成，其基本原理是通過發(fā)射天線、接收天線以及主機(jī)共同工作。探地雷達(dá)檢測基本原理見圖1，探地雷達(dá)探測公路病害時(shí)的工作原理見圖2。電磁波由空氣進(jìn)入路面的混凝土層，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射（對(duì)應(yīng)地面，并且由于空氣中電磁波傳播速度較快，這時(shí)地面對(duì)應(yīng)的是負(fù)相位）；同樣，當(dāng)電磁波由混凝土至路基，繼而由路基傳播到巖層時(shí)，如果交界處貼合不好，或存在空隙，亦會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)剖面相位和幅度發(fā)生變化，由此可確定公路病害。電磁波遇到以傳導(dǎo)電流為主的介質(zhì)，如地下中存在的金屬管線，會(huì)出現(xiàn)全反射，接收到的能量非常強(qiáng)，在雷達(dá)剖面上顯示強(qiáng)異常，以此可確定管線分布情況。

圖1 探地雷達(dá)檢測基本原理

圖2 探地雷達(dá)探測公路病害時(shí)的工作原理

2.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理需采用專業(yè)的處理軟件，根據(jù)道路檢測雷達(dá)波的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理流程如下：

①偏移處理。從現(xiàn)場采集的探地雷達(dá)原始數(shù)據(jù)，往往會(huì)出現(xiàn)振幅正負(fù)半周不對(duì)稱的情況，這是數(shù)據(jù)含有直流漂移量造成的，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移處理。

②靜校正。在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中，通常要將雷達(dá)數(shù)據(jù)校正到一個(gè)統(tǒng)一基準(zhǔn)面，而且這個(gè)基準(zhǔn)面一般為道路表面。

③能量增益。其就是對(duì)雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理，因?yàn)樵诘叵掠械姆瓷涮幏瓷湫盘?hào)很強(qiáng)有的地方反射又很弱，強(qiáng)的信號(hào)會(huì)壓制弱的信號(hào)，所以需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行增益處理。

④數(shù)字濾波。探地雷達(dá)在進(jìn)行檢測時(shí)，由于受現(xiàn)場多元環(huán)境的影響，使得環(huán)境中存在的噪聲頻譜既有低頻也有高頻，需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理。

⑤滑動(dòng)平均?；瑒?dòng)平均是根據(jù)小波去噪的原理剔除信號(hào)里的噪聲和毛刺，讓圖像更加干凈和平滑。

2.3 探地雷達(dá)應(yīng)用要點(diǎn)

探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用主要分為以下幾個(gè)步驟（圖3）：

圖3 探地雷達(dá)檢測基本流程

①搜集資料和踏勘現(xiàn)場，目的是對(duì)周圍環(huán)境、地下介質(zhì)及地形進(jìn)行了解，另外，也是為了掌握周邊工作環(huán)境、交通及干擾等情況。

②開展探地雷達(dá)檢測，首先是進(jìn)行天線的選擇和測線的布置，主要是為了保證探測質(zhì)量；隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集由多條波形記錄組成的雷達(dá)圖像；探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集分為普查和詳查兩種，根據(jù)不同區(qū)域采取不同的檢測方式，并對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記和坐標(biāo)定位，目的是為了確定病害位置。

③對(duì)病害進(jìn)行分類，確定病害等級(jí)。

④針對(duì)病害提出相應(yīng)對(duì)策。

3 實(shí)例探析探地雷達(dá)在公路工程檢測中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某道路路面為高速公路瀝青路面，其瀝青路面結(jié)構(gòu)為4cm AC-13C 瀝青混合料的上面層+6cm AC-20C 瀝青混合料的中面層+8cm AC-25C 瀝青混合料的下面層+36cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18cm 石灰粉煤灰土底基層。

3.2 瀝青路面破損狀況

為進(jìn)一步驗(yàn)證探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)瀝青路面半剛性基層裂縫檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先采用傳統(tǒng)的人工方法對(duì)裂縫路段的路面鉆芯取樣進(jìn)行破損分析。本次在道路上隨機(jī)選取了47 條裂縫進(jìn)行取芯，共取芯樣62 個(gè)，由于取芯設(shè)備的取芯有效桶長300mm，而面層+基層設(shè)計(jì)厚度為360mm，因此取出芯樣的面層與基層分離，但實(shí)際是完整的。

對(duì)所有芯樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體的芯樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。由于二灰土基層松散嚴(yán)重，導(dǎo)致取芯過程中，松散的灰土和碎石卡住取芯筒，鉆孔附近泥漿較多，取出的基層芯樣松散嚴(yán)重。裂縫處的病害主要為面層裂縫、面層層間不良、面層與基層層間不良、面層不密實(shí)和基層的貫穿裂縫等類型。

表1 芯樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 探地雷達(dá)對(duì)路面深層次裂縫的識(shí)別應(yīng)用

3.3.1 設(shè)備選擇

通過對(duì)目前應(yīng)用成熟的商業(yè)化三維探地雷達(dá)的前期調(diào)研，三維探地雷達(dá)主要包括頻域雷達(dá)（步進(jìn)頻率天線）和時(shí)域雷達(dá)（同頻率天線）兩種類型。步進(jìn)頻率天線的帶寬為100～3000MHz，可有效探測0.2～10m 的深度，更加適用于對(duì)未知深度缺陷的探測。而同頻率天線由同一頻率天線交錯(cuò)等距排列組成，對(duì)固定深度的探測較為精確，適用于已知深度缺陷的檢測。三維探地雷達(dá)分別采用步進(jìn)頻率天線和同頻率天線的現(xiàn)場裂縫測試效果對(duì)比可知，步進(jìn)頻率天線于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害識(shí)別率較低，平面圖像成像效果一般，不適用于路面缺陷探測；而同頻率天線能對(duì)路面病害具有較好的識(shí)別度，若采用1300MHz 高頻天線陣，可進(jìn)一步提高對(duì)于路面內(nèi)部病害的識(shí)別精度。

3.3.2 路面裂縫識(shí)別

對(duì)經(jīng)過人工步檢及鉆芯取樣的路段進(jìn)一步采用探地雷達(dá)對(duì)裂縫進(jìn)行檢測分析，判斷瀝青路面半剛性基層是否存在開裂或其他破損狀況。雷達(dá)檢測方法為：沿輪跡帶連續(xù)檢測并在裂縫處做標(biāo)記，檢測到的典型裂縫雷達(dá)圖像如圖4 所示。

通過圖4 所示的雷達(dá)圖像結(jié)果對(duì)比分析可知，瀝青路面上產(chǎn)生的裂縫在路面內(nèi)部狀況主要分為兩大類，一類為圖4（a）所示，裂縫處所在的路面內(nèi)部僅裂縫處出現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)的情況，所以路面內(nèi)部僅開裂，而周邊未出現(xiàn)松散、層間不良等病害，統(tǒng)一稱此類裂縫為不含隱性病害的“單一型”裂縫；另一類為圖4（b）所示，裂縫處所在路面內(nèi)部裂縫周圍均出現(xiàn)了信號(hào)增強(qiáng)的情況，因此路面內(nèi)部不僅開裂，還存在松散、層間不良等病害，具有一定的病害影響范圍，統(tǒng)一稱此類裂縫為含隱性病害的“面積型”裂縫。

3.3.3 路面裂縫檢測結(jié)果分析

對(duì)瀝青路面面層產(chǎn)生裂縫的位置處采用三維探地雷達(dá)進(jìn)行裂縫探測，通常使用保持雷達(dá)參數(shù)不變沿原測線對(duì)裂縫情況再次進(jìn)行檢測的方法進(jìn)行測試。路面結(jié)構(gòu)整體完善與路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部有病害處的電介質(zhì)常數(shù)的偏差較大，因此在雷達(dá)圖像中可以看到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害處的雷達(dá)圖像振幅變化較路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整的更為明顯。

瀝青路面裂縫處檢測到的結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況雷達(dá)圖像如圖5 所示。圖5 中箭頭為裂縫所處位置，方框圈出了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫變化狀況。通過雷達(dá)圖像對(duì)比分析可知，圖5（a）處病害類型為“單一型”裂縫，圖5（b）處病害類型為“面積型”裂縫且存在層間不良，圖5（c）處病害類型為“面積型”裂縫且存在結(jié)構(gòu)松散，雷達(dá)圖像信號(hào)在裂縫位置處發(fā)生明顯變化。

圖5 路面裂縫處檢測的雷達(dá)圖像

4 結(jié)語

綜上所述，探地雷達(dá)技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，可高效且高精度反映道路淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。在公路工程運(yùn)行中，應(yīng)合理運(yùn)用該技術(shù)有效檢測公路裂縫、空洞、坑槽等病害狀況以及路面厚度，檢測人員通過對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得知病害存在的位置、形狀，以此確定病害的程度，然后對(duì)存在的病害進(jìn)行分析，采取針對(duì)性的處理措施，保證公路工程可靠運(yùn)行。