三維探地雷達在公路工程檢測與質量管理中的應用分析

李興薈

摘 要：三維探地雷達技術是一種非破壞性地質勘探方法，它能夠對路面下的地質結構進行精確探測。技術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量管理中的應用進行分析，解釋雷達工作原理，強調實際修路中的關鍵因素，并結合案例展示雷達技術的應用，以期能為公路工程檢測與質量管理提供參考。

關鍵詞：三維探地雷達 公路工程檢測 雷達技術

隨著公路網的完善，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社會發(fā)展。這些老路因使用年限長、不同單位施工質量參差不齊，導致路面內部結構存在損傷。要全面了解舊路的狀況，關鍵在于探查那些不可見的地下結構是否完好。三維地質雷達技術在此發(fā)揮著關鍵作用，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用效果，并總結經驗，為公路養(yǎng)護提供科學的參考依據(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，它能夠透視地表，發(fā)現(xiàn)并分析地下結構和潛在問題。該技術通過發(fā)射電磁波來實現(xiàn)，這些電磁波穿透地表，遇到不同材質的物體時會產生反射。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]。在實際應用中，雷達首先將電磁波發(fā)射到空氣中，穿透混凝土層，產生明顯的回波，形成雷達圖上的一個特殊標記。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，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)能夠準確對應地下實際位置。隨后，執(zhí)行能量增強，通過增益調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，保留反映地下結構的有效信號，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確和直觀地展現(xiàn)在工作人員面前。

2.3 探地雷達應用要點

在應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、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)域在雷達圖像上標記并記錄坐標。接著，對發(fā)現(xiàn)的病害進行分類和評級。最后，根據(jù)病害的類型和嚴重程度，制定相應的解決方案和應對措施。

3 探地雷達對路面深層次裂縫的識別應用

3.1 設備選擇

三維探地雷達技術在市場上應用廣泛，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構問題，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)土壤松散或層間粘接問題。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，可以更準確地評估裂縫的嚴重程度和維修需求。

4 工程應用實例

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，內部結構已疏松[5]。為探測隱蔽病害，采用三維雷達技術進行路面下掃描，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，確保評估的準確性。

4.2 檢測結果統(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果。要查明原因，需綜合考慮各種檢查數(shù)據(jù)、路面的當前狀況及其使用歷史，通過細致分析才能準確診斷問題所在，進而制定出有效的修復方案。

5.1 結果分析

5.1.1 病害與路表彎沉

右側病害區(qū)域的凹陷程度相對較輕，而左側病害區(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系。右側病害區(qū)域數(shù)量較少，僅9段，而左側多達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)基層的相應裂縫在這些路段分別出現(xiàn)了九處、八處和五處。總體來看，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。這表明土質基礎類型對水穩(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聯(lián)。

5.1.3 病害與養(yǎng)護歷史

經檢查，53段道路中12段因病害嚴重需機器銑刨舊路面后重新鋪設，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，其病害問題均嚴重且明顯。

5.1.4 病害與結構層模量

在對路面病害的調查中，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。瀝青層由于經常維護，病害較少；水穩(wěn)層由于長期未得到適當保養(yǎng)，強度減弱，導致病害頻發(fā)。

5.1.5 芯樣與結構層模量

在40次鉆芯檢測中，瀝青路面發(fā)現(xiàn)4處內部裂縫，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生裂縫，導致堅實的水穩(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，內部也可能受損，反映層間粘結不足。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，應立即通知責任方進行維修。

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，應當對其進行注漿補強。

5.3.3 裂縫率每百平方米超過10米

當路段裂縫出現(xiàn)較多時，可以結合路段情況銑刨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，應當加強對此公路的檢測力度，通過使用三維探地雷達反復檢測，可以高效的發(fā)現(xiàn)病害并進行處理。

綜上所述，三維探地雷達技術在路面結構病害檢測中的應用經過了嚴格的驗證和多維度分析，其結果不僅證明了該技術在無損檢測方面的高精準度，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，結合室內試驗數(shù)據(jù)和地質條件報告，深入剖析了病害成因，為病害的科學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在公路養(yǎng)護領域的應用，而且促進了養(yǎng)護實踐的科學化和精準化，為未來的路面養(yǎng)護工作提供了寶貴的經驗和技術支撐。

參考文獻：

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[3]祝爭艷，蔡文龍，張浩浩.三維探地雷達在道路裂縫檢測中的應用[J].山西建筑，2021，47（5）：121-124.

[4]李軍.探地雷達在公路改擴建工程檢測中的應用[J].科技和產業(yè)，2021，21（8）：295-300.

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[6]馬一飛.三維探地雷達的典型病害識別檢測與應用[J].中國公路，2022，625（21）：90-91.