三維探地雷達在公路工程檢測與質(zhì)量管理中的應(yīng)用分析

李興薈

摘 要：三維探地雷達技術(shù)是一種非破壞性地質(zhì)勘探方法，它能夠?qū)β访嫦碌牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)進行精確探測。技術(shù)人員通過分析雷達數(shù)據(jù)，精確定位病害位置和范圍，評估嚴(yán)重程度，制定維修計劃，確保道路安全和暢通。文章通過對三維探地雷達在公路工程檢測與質(zhì)量管理中的應(yīng)用進行分析，解釋雷達工作原理，強調(diào)實際修路中的關(guān)鍵因素，并結(jié)合案例展示雷達技術(shù)的應(yīng)用，以期能為公路工程檢測與質(zhì)量管理提供參考。

關(guān)鍵詞：三維探地雷達 公路工程檢測 雷達技術(shù)

隨著公路網(wǎng)的完善，新建道路工程減少，現(xiàn)有舊路面臨大規(guī)模翻新或拓寬以適應(yīng)社會發(fā)展。這些老路因使用年限長、不同單位施工質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在損傷。要全面了解舊路的狀況，關(guān)鍵在于探查那些不可見的地下結(jié)構(gòu)是否完好。三維地質(zhì)雷達技術(shù)在此發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它能夠無損地深入檢查路面以下的隱蔽情況。這項技術(shù)具有快速、精確的檢測優(yōu)勢，且便攜易用，對交通影響小，因而受到廣泛歡迎。本文將通過實際修路案例，深入分析三維探地雷達的應(yīng)用效果，并總結(jié)經(jīng)驗，為公路養(yǎng)護提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 公路工程檢測要求

公路在長期使用過程中，會因天氣變化、交通負荷等因素出現(xiàn)損壞，如裂縫、坑洼等。為確保道路安全和使用性能，必須進行定期的檢查和維護。路面損壞的檢查通常有兩種方法：一是人工檢查，二是使用探地雷達。人工檢查是最直接的方法，由專業(yè)檢查員沿著道路行走，通過目視和觸摸來識別裂縫、坑洼、鼓包等損壞情況，評估損壞的程度和位置。這種方法簡便易行，成本較低[1]。其次是使用探地雷達，該設(shè)備通過發(fā)射電磁波并接收反射波來探測路面下的損壞情況，這種方法可以快速、準(zhǔn)確地檢測出路面下的問題，無需挖掘路面，減少了對道路的破壞。在實際工作中，這兩種方法往往結(jié)合使用：對于表面明顯的損壞，采用人工檢查；對于深層或難以直接觀察的損壞，則使用探地雷達進行探測。

2 三維探地雷達檢測的基本原理

2.1 三維探地雷達檢測原理

三維探地雷達是一種先進的地下探測技術(shù)，它能夠透視地表，發(fā)現(xiàn)并分析地下結(jié)構(gòu)和潛在問題。該技術(shù)通過發(fā)射電磁波來實現(xiàn)，這些電磁波穿透地表，遇到不同材質(zhì)的物體時會產(chǎn)生反射。雷達接收到這些反射波后，工作人員利用電腦軟件對它們的形狀和強度進行分析，并將信息轉(zhuǎn)化為圖像，從而揭示地下物體的位置、大小和深度。三維探地雷達設(shè)備由主機、天線和配套零件組成，其工作原理是通過雷達發(fā)射電磁波，然后天線接收反射回來的波[2]。在實際應(yīng)用中，雷達首先將電磁波發(fā)射到空氣中，穿透混凝土層，產(chǎn)生明顯的回波，形成雷達圖上的一個特殊標(biāo)記。隨后，電磁波繼續(xù)穿透路基和巖石層。如果這些層次之間存在不緊密或空洞的情況，雷達剖面相位和幅度會也隨之產(chǎn)生變動，提示可能存在問題。此外，如果電磁波遇到地下的金屬管道，幾乎所有的波都會被反射回來，形成強烈的信號，從而幫助工作人員準(zhǔn)確定位地下管線的位置。三維探地雷達探測公路病害時的工作原理如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

雷達數(shù)據(jù)處理是一項精細且專業(yè)的工作，它依賴于專用的處理軟件來優(yōu)化和修正道路雷達探測所得的原始數(shù)據(jù)[3]。原始數(shù)據(jù)可能存在多種問題，如因數(shù)據(jù)含有直流漂移量導(dǎo)致振幅正負半周不對稱，這需要通過偏移處理來解決。接著，進行靜校準(zhǔn)，確保所有數(shù)據(jù)都能統(tǒng)一參照道路表面高度，從而使雷達從不同角度探測的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確對應(yīng)地下實際位置。隨后，執(zhí)行能量增強，通過增益調(diào)整提高弱信號的可見度，避免強信號淹沒弱信號，確保信息的全面識別。數(shù)字濾波處理則用于去除數(shù)據(jù)中的低頻和高頻噪聲，保留反映地下結(jié)構(gòu)的有效信號，類似于攝影中使用濾鏡去除雜光。最后，滑動平均技術(shù)被用于消除隨機噪聲和瞬間波動，提升圖像的清晰度和穩(wěn)定性，從而使得道路下方的實際情況更加準(zhǔn)確和直觀地展現(xiàn)在工作人員面前。

2.3 探地雷達應(yīng)用要點

在應(yīng)用三維探地雷達探測前，首先需進行現(xiàn)場勘查，收集環(huán)境、地質(zhì)、地形信息，評估工地狀況、交通流量和潛在干擾。隨后，選擇合適的雷達天線和測線布置，確保數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性。探測過程分為兩階段：初步的大范圍掃描和對可疑區(qū)域的詳細檢查，將問題區(qū)域在雷達圖像上標(biāo)記并記錄坐標(biāo)。接著，對發(fā)現(xiàn)的病害進行分類和評級。最后，根據(jù)病害的類型和嚴(yán)重程度，制定相應(yīng)的解決方案和應(yīng)對措施。

3 探地雷達對路面深層次裂縫的識別應(yīng)用

3.1 設(shè)備選擇

三維探地雷達技術(shù)在市場上應(yīng)用廣泛，主要分為頻域雷達和時域雷達兩種類型。頻域雷達采用步進頻率天線，能夠發(fā)射100MHz至3000MHz的信號，探測深度介于0.2米至10米之間，擅長發(fā)現(xiàn)未知位置的深層地下結(jié)構(gòu)問題，如裂縫和空洞。而時域雷達則配備固定頻率天線，此天線由頻率相同的天線等距排列組成，類似于一支精準(zhǔn)的探測小隊，適合對已知深度的地下缺陷進行精確掃描[4]。

實驗對比了兩種雷達在探測路面裂縫方面的性能。頻域雷達雖然能夠探測地下情況，但生成的圖像清晰度不足，難以細致識別路面下的具體損傷，因此不適用于精細的道路病害調(diào)查。相較之下，固定頻率天線雷達在探測路面微小損傷方面表現(xiàn)出色，尤其是配備1300MHz高頻天線陣列時，能夠更準(zhǔn)確地定位路面下方的細小損傷。

3.2 路面裂縫識別

為了深入探究經(jīng)人工檢查和鉆孔取樣的路面裂縫情況，采用了探地雷達技術(shù)進行細致檢測，以評估瀝青路面半剛性基層的完整性及其他潛在問題。探地雷達的操作是沿著車轍印進行掃描，并對發(fā)現(xiàn)的裂縫進行標(biāo)記，通過雷達圖像揭示裂縫下方的具體情況。雷達圖像顯示裂縫下方的狀況大致分為兩類：第一類是“單一型”裂縫，其特點是僅裂縫處雷達信號增強，周圍未發(fā)現(xiàn)土壤松散或?qū)娱g粘接問題。第二類是“面積型”裂縫，不僅裂縫處信號增強，連同周圍較大區(qū)域的信號也顯著，表明裂縫下方存在土壤松散、層間粘接不良等問題，且影響范圍較廣。通過這種分類，可以更準(zhǔn)確地評估裂縫的嚴(yán)重程度和維修需求。

4 工程應(yīng)用實例

4.1 工程概況

某公路自1997年啟用，至今仍在使用。此公路雙向四車道設(shè)計，限速80公里/小時，總寬度26米。外觀檢查揭示了輪胎印痕、垂直及半剛性層的水平裂縫等表面病害。進一步取樣發(fā)現(xiàn)，盡管外觀無損，內(nèi)部結(jié)構(gòu)已疏松[5]。為探測隱蔽病害，采用三維雷達技術(shù)進行路面下掃描，并通過鉆芯驗證。綜合雷達掃描與其它檢測數(shù)據(jù)，全面分析公路病害，確保評估的準(zhǔn)確性。

4.2 檢測結(jié)果統(tǒng)計

依據(jù)路面病害的多項特征參數(shù)，包括病害編號、所在層次、尺寸及厚度等，可以精確計算出病害的具體位置和損壞狀況。綜合分析揭示了路面凹陷的精確區(qū)域、凹陷深度、影響范圍；裂縫的確切位置、長度；以及路面與底層之間的空隙區(qū)域、空隙大小。此外，詳細地標(biāo)出了病害所在的路面段落及層次。所有檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)果分析及處治建議

路面病害的形成是多因素共同作用的結(jié)果。要查明原因，需綜合考慮各種檢查數(shù)據(jù)、路面的當(dāng)前狀況及其使用歷史，通過細致分析才能準(zhǔn)確診斷問題所在，進而制定出有效的修復(fù)方案。

5.1 結(jié)果分析

5.1.1 病害與路表彎沉

右側(cè)病害區(qū)域的凹陷程度相對較輕，而左側(cè)病害區(qū)域的凹陷則更深，平均超出0.01至0.04毫米。造成這一現(xiàn)象的原因與樣本段落有關(guān)系。右側(cè)病害區(qū)域數(shù)量較少，僅9段，而左側(cè)多達44段。此外，儀器測量的凹陷中心點可能與實際病害位置存在偏差。

5.1.2 病害與地質(zhì)條件

在公路工程檢測中，瀝青路面和水穩(wěn)基層的縱向裂縫分布、數(shù)量和與填挖深度的關(guān)系被詳細記錄[6]。瀝青路面的長裂縫（超過10米）在填筑路段有兩處，開挖路段有四處，半填半挖路段有一處。而水穩(wěn)基層的相應(yīng)裂縫在這些路段分別出現(xiàn)了九處、八處和五處?？傮w來看，填筑路段有十一處，開挖路段十二處，半填半挖路段六處裂縫。

進一步分析顯示，裂縫長度與填挖深度之間沒有明顯的線性關(guān)系。在瀝青層面，每百平方米超過10米的裂紋率在填筑路段有四處，在開挖路段有一處，而半填半挖路段沒有。水穩(wěn)基層的裂紋率超過10米/百平方米的區(qū)域在填筑路段六處，開挖路段十二處，半填半挖路段兩處。這表明土質(zhì)基礎(chǔ)類型對水穩(wěn)基層裂紋率有顯著影響，尤其是開挖路段裂紋率較高，而填筑路段較低。所有裂紋率超標(biāo)區(qū)域均為非軟基地段，分布相對均勻。檢測未包括軟基地段，進一步證實了裂縫與填挖深度之間缺乏顯著的線性關(guān)聯(lián)。

5.1.3 病害與養(yǎng)護歷史

經(jīng)檢查，53段道路中12段因病害嚴(yán)重需機器銑刨舊路面后重新鋪設(shè)，占總數(shù)的1/5。維修記錄顯示，最早維修在2010年，最近一次在2015年。通常維修僅涉及瀝青層，忽略了底層水穩(wěn)層。在這12段全面翻新的道路中，有11段發(fā)現(xiàn)水穩(wěn)層亦損壞，占比超過90%。因此，無論是未修或僅表面維修的道路，其病害問題均嚴(yán)重且明顯。

5.1.4 病害與結(jié)構(gòu)層模量

在對路面病害的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)瀝青層有9處存在問題，而水穩(wěn)層問題更為嚴(yán)重，涉及44處。瀝青層病害區(qū)域的模量變化相對較小，僅比正常區(qū)域低22%。水穩(wěn)層則出現(xiàn)了22處硬度差異顯著的地方，病害區(qū)域的硬度降低幅度在44%至62%之間。瀝青層由于經(jīng)常維護，病害較少；水穩(wěn)層由于長期未得到適當(dāng)保養(yǎng)，強度減弱，導(dǎo)致病害頻發(fā)。

5.1.5 芯樣與結(jié)構(gòu)層模量

在40次鉆芯檢測中，瀝青路面發(fā)現(xiàn)4處內(nèi)部裂縫，上層基層有4處，下層5處問題。16處水穩(wěn)層病害嚴(yán)重，無法取樣。瀝青病害區(qū)硬度3256兆帕，低于正常值19%；水穩(wěn)層病害區(qū)硬度僅517兆帕，低于正常值67%。

5.2 病害發(fā)生機理

5.2.1 自然因素

硬化水泥混合物易因干燥和溫差產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致堅實的水穩(wěn)層也裂開。溫差引起的壓力集中是路面開裂的主因。鉆芯檢測揭示，即使表面完好，內(nèi)部也可能受損，反映層間粘結(jié)不足。路面濕度也影響其狀況。持續(xù)高溫會使路面與地基溫差增大，進一步增加開裂風(fēng)險。

5.2.2 人為因素

公路上的車流量大，超載車輛多，以及在進行保養(yǎng)工作的疏忽和使用的材料與保養(yǎng)技術(shù)不合格，這些都屬于人為因素。

5.3 處治建議

5.3.1 脫空、松散、沉降

上行車道第三段存在兩處超過一平方米的空洞，而下行方向路肩K66+452處有一個約17.2平方米的大空洞。建議采用注漿法修補這些較大空洞。對于較小破損，目前可以不處理，但仍要定期檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問題惡化，應(yīng)立即通知責(zé)任方進行維修。

5.3.2 縱縫

縱向裂縫長度超過十米的，可以利用銑刨重鋪的方法來處理，如果路基出現(xiàn)凹陷，應(yīng)當(dāng)對其進行注漿補強。

5.3.3 裂縫率每百平方米超過10米

當(dāng)路段裂縫出現(xiàn)較多時，可以結(jié)合路段情況銑刨1至2層，并在對基層注漿處理后，還需注意路面是否平整。

5.3.4 使用無損檢查的頻率

為能夠及時發(fā)現(xiàn)病害，應(yīng)當(dāng)加強對此公路的檢測力度，通過使用三維探地雷達反復(fù)檢測，可以高效的發(fā)現(xiàn)病害并進行處理。

綜上所述，三維探地雷達技術(shù)在路面結(jié)構(gòu)病害檢測中的應(yīng)用經(jīng)過了嚴(yán)格的驗證和多維度分析，其結(jié)果不僅證明了該技術(shù)在無損檢測方面的高精準(zhǔn)度，而且通過與傳統(tǒng)檢測方法的比對，進一步確認了其在識別承載力下降和材料強度退化方面的有效性。此外，結(jié)合室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)和地質(zhì)條件報告，深入剖析了病害成因，為病害的科學(xué)治理提供了重要依據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)不僅推動了探地雷達技術(shù)在公路養(yǎng)護領(lǐng)域的應(yīng)用，而且促進了養(yǎng)護實踐的科學(xué)化和精準(zhǔn)化，為未來的路面養(yǎng)護工作提供了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

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