探地雷達在公路工程檢測中的應用前景

徐明波

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥　230051；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京　210096；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥　230051)

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探地雷達在公路工程檢測中的應用前景

徐明波1,2,3

(1.安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥230051；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京210096；3.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，安徽 合肥230051)

摘要：文章基于工作應用和其他研究成果的基礎上，概述探地雷達工作原理，列舉探地雷達應用于公路工程檢測中的各種雷達波形與圖像特征，并對此進行解釋，預測探地雷達技術發展方向，展望探地雷達在公路工程檢測中的應用前景。

關鍵詞：公路工程；探地雷達；無損檢測

1路基工程檢測中的應用

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)，是一種高效無損探測儀器，目前已廣泛應用于公路、機場、隧道、建筑、地下管線及地勘等諸多工程領域。

相對于傳統的鉆孔取芯和室內試驗方法，采用探地雷達對路基進行檢測，具有快速、無損的特點，對于普查路基質量狀況，準確確定路基病害范圍，分析判定病害成因和種類，尤其對路基深層病害和地質情況的探測能力，具有無可比擬的優勢。

1.1路基不密實和高含水區

路基不密實病害一般是由于公路在建設初期壓實不夠或局部受水浸泡松軟引起，不密實區域內的路基土含水率或孔隙率比周圍密實區大，由于不密實區土與周圍密實區土存在著電性差異，在雷達波形圖中常表現為不密實區邊界的反射波同相軸明顯錯動，分層不明顯，不密實內部區域波形相對較均勻，通過波速和時長可計算出不密實區的深度和區域范圍，據此可應用于路基不密實區和高含水區探測。

1.2路基脫空

探地雷達在探測路基脫空時，脫空空洞會使多次反射波很強，且持續一段時間，側向反射波不太強，具有局部孤立的特點。

反射的相位與入射波同向，與路基層表面的反射波相位相反，只要確定空洞上、下表面反射波相差時間，即可確定空洞深度和范圍，從而實現對路基脫空病害的探測。

1.3路基沉陷

路基沉陷會導致路基斷面變形和層位移動。路基沉陷異常在雷達剖面上主要表現為同相軸不水平，呈現一定的傾斜度，傾斜的深度與寬度則反映路基沉陷的范圍，依此實現對路基沉陷病害的探測。

1.4路基開裂

路基裂縫病害雷達探測如圖1所示。

圖1　路基裂縫病害雷達探測圖

由于地下裂縫、不均勻體對雷達波的電磁馳豫效應和衰減、吸收，使雷達反射波波形局部發生畸變，畸變程度與地下裂縫、不均勻體的規模有關。路基中若存在空洞裂縫等，在雷達圖像上主要表現為呈低頻、大振幅特征的不規則強反射波及對正常結構層反射波同相軸的扭曲、錯動等。圖1(a)所示為某市政道路路基裂縫病害探測圖，通過圖像解析，可知L2橫測線2.5～4.5 m位置、1.5～9 m深度范圍的雷達反射波同相軸不連續，推測地層結構已受擾動；5～11 m區域的直線標注位置反射波同相軸錯動，推測已形成裂縫。

1.5路基軟臥層及滑動面

路基軟臥層、滑動面造成地層發生突變，兩側土層或土壤性質發生變化，表現在地質雷達時間剖面上為反映地下地層界面上的雷達反射波同相軸明顯錯動，滑動面越嚴重，特征越明顯。

通過雷達波反映滑動面兩側反射波波形的不同，可判斷滑動面的位置和走向。圖1(b)中L1橫測線0～2 m區域為路邊欄桿干擾較嚴重，測線2～5 m位置、1～3 m深度范圍雷達反射波同相軸不連續，推測地層結構已受擾動；5.5～6.8 m位置、5～6 m深度范圍的異常形態推測為管道施工形成的空洞；5～10 m區域的斜線標注位置反射波同相軸錯動，推測該位置已形成滑動面。

2路面工程檢測中的應用

2.1基層缺陷檢測

基層缺陷檢測典型雷達剖面如圖2所示。

圖2基層缺陷檢測典型雷達剖面圖

(1) 基層松散。基層產生部分范圍松散時，與周邊較均勻的介質之間會存在某些材質差異，當雷達波穿透該松散區時，介電常數會發生變化，從而在雷達剖面圖上表現為波形較紊亂，與正常路段雷達圖像相比，層狀波形少，與空洞異常相比，多次反射波相對較少[1-3]。基層松散典型雷達異常剖面如圖2(a)所示。

(2) 基層局部脫空。基層局部脫空在雷達剖面上表現為多次反射波非常發育，波形呈上拱的弧形[3]，如圖2(b)所示。

(3) 基層破碎檢測。基層局部路段因密實度不均勻、填筑不密實，受到超重荷載的反復沖擊，加之地表水和地下水的影響而產生嚴重損壞，表現在雷達圖象上為反射波波形雜亂，起伏不定[3]，如圖2(c)所示。

2.2面層施工質量檢測

2.2.1瀝青面層厚度

瀝青路面結構層厚度是根據電磁波在各結構層交界面的反射時間和各結構層內的傳播速度計算得到，而反射時間可通過雷達數據采集與分析軟件自動求得，波速一般通過鉆孔厚度標定或波幅計算求得，據此可算出面層厚度。

2.2.2瀝青面層壓實度及空隙率

利用探地雷達檢測瀝青面層壓實度主要是通過室內試驗建立壓實度與瀝青混合料復合介電常數的關系式，檢測時，根據雷達反射波波幅求出瀝青結構層的復合介電常數，再利用此關系式便可求出壓實度，而空隙率與壓實度是相互關聯的2個指標，這樣也同時可測出空隙率。

2.2.3路面病害檢測

(1) 瀝青面層剝落。美國得克薩斯交通學院研究發現，當瀝青層未剝落時，GPR測試時的回波中僅有2個波峰，一個出現在路表，另一個在瀝青面層與基層的界面；當出現剝落時，回波中路表反射與基層、面層界面反射間多了一個波峰；當剝落程度較嚴重時，該波峰峰值增大，還發現1 GHz的空氣耦合式喇叭天線對剝落的識別效果較好。

(2) 路面結構層裂縫。利用多層均勻層狀介質中垂直裂縫的雷達波響應特征表現為一簇頂點位于裂縫鉛垂線上的雙曲線波組，包括一次散射波和二次散射伴隨波，且伴隨波雙曲線的頂點分別與各介質分界面反射波同相軸相切的圖像特征，可探測路面結構層裂縫[4]。

(3) 水泥混凝土面層脫空。當路面積水未及時排出時，可能導致地表水下滲，使面層與基層之間逐漸疏松，局部甚至脫空。此時，層間介質的介電常數差異較大，依據雷達波的界面反射與波的傳播特性，反射波明顯、傳播速度降低。根據反射系數強度變化判定脫空層的存在，再根據反射系數符號的正負，判斷脫空層的性質。由計算得知,脫空層的存在將使該處的反射系數增大2～3倍,從而可用探地雷達成功探測脫空[5-6]。

3隧道工程檢測中的應用

3.1隧道襯砌中鋼筋

探地雷達檢測隧道襯砌時，襯砌中的鋼支撐及鋼筋網均屬于金屬導體，雷達波從水泥混凝土介質入射到導體表面時，由于金屬導體中電磁波速為0，不能傳播。鋼筋對于電磁波的能量幾乎全都反射回來，反射系數接近1。用高頻天線探測，鋼筋形成清晰的反射弧，呈半張開的傘形。因此，能可靠地檢測出鋼筋網密度、鋼筋粗細及布置位置[7]。

3.2隧道襯砌厚度

襯砌為混凝土組成，與圍巖材質不同，介電常數不同，當雷達波穿透襯砌和圍巖時，圍巖的反射波明顯，高頻波多，混凝土較均質時內部反射波較少，只在缺陷處有反射波，內部反射波的高、低頻率特征明顯不同，可區分不同物質界面,據此可以檢測出襯砌的厚度[8]。

3.3隧道襯砌空洞及脫空

由于空洞及脫空與圍巖的介電常數差異較大，故在空洞處會產生明顯的強反射，雷達波形呈典型雙曲線形狀，由雷達波形圖和剖面圖解釋，可計算出襯砌內空洞的位置及大小，如圖3所示。

圖3　某隧道襯砌空洞典型雷達剖面圖

圖3中18.5～19.5m和29～30 m段雷達波形呈雙曲線形狀，為二襯砌與初期支護間空洞。

3.4隧道施工超前預報和監控

(1) 斷層和破碎層。雷達波穿越斷層或破碎層界面時反射波強烈,反射面的波幅增強, 反射波同相軸的連線即為破碎帶的位置。

(2) 溶洞和空洞。雷達回波特征基本相似，灰度圖上表現為一組弧形強反射波,其后常伴隨一組幅度較低的多次強反射弧。小空洞的弧形表現明顯,大空洞往往表現為波浪形的強反射或呈亮白色。

(3) 富水層和地下水。雷達波對水和含水率高的介質反射強，反射波強度大；從含水層反射的雷達波，相對于入射波，其相位會反相(相差180°)，高頻成分被吸收，反射波的頻率降低，以此判斷地質中的富水層或地下水。

4橋梁工程檢測中的應用

4.1橋頭搭板脫空

如圖4所示，橋頭搭板脫空反映在雷達剖面上，與下部整體脫空的圖像較相似，同相軸比較長，但波長不一樣，圖形與混凝土路面脫空有一定相似性[3]。

圖4　橋頭搭板脫空典型雷達剖面圖

4.2梁板預應力管道灌漿密實性

預應力鋼絞線孔道壓漿中有空洞時，雷達圖形表現為低頻高振幅反射波，開口向下圓弧形同相軸，缺陷埋深淺，圓弧開口較小，反之開口大，預應力鋼絞線孔道壓漿中缺陷為矩形空洞，雷達圖像為低頻高振幅反射波，同相軸中部為平板，兩端為半支開口向下圓弧[9]。

4.3其他應用

(1) 水泥混凝土內部缺陷檢測。水泥混凝土內部若存在離析、空洞等缺陷時，缺陷部位與非缺陷部位的介電常數會存在差異，電磁波穿透界面時會產生強反射，且波形不連續，結合波速和反射波傳播時間，從而可實現對混凝土內部缺陷的空間定位和形態判斷。

(2) 梁板孔腔積水探測。橋梁運營過程中，梁板頂部出現裂縫或破損，會使雨水滲入孔腔積水，或由于施工造成的梁板內孔腔積水，長期積水后會引起梁板內鋼筋銹蝕，降低橋梁承載能力和耐久性。利用混凝土和水的介電常數值差異較大，探地雷達可識別出梁板孔腔內有無積水。

5結束語

隨著探地雷達檢測技術的提高，其應用范圍將不斷擴大，同時也要求探地雷達系統具有更高的分辨率和更大的穿透深度，提供更豐富的介質信息。研發應用變頻天線可使雷達系統變得更加輕巧和方便，它可用各種頻率掃描并進行綜合分析，從而獲得更豐富的介質信息，克服單頻率雷達系統缺陷，并可實現時間傾角掃描疊加技術，實現對檢測對象的高質量三維成像，這是探地雷達發展的新方向[10]。在探地雷達數據處理方面，反褶積和偏移技術是當前的兩大熱門課題。開發精度更高、實現對數據與圖像自動識別、分析處理，以及各種專用探地雷達將是一個新的研究課題。

〔參考文獻〕

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[3]王法雨.探地雷達在高速公路改擴建工程中的應用探討[J].交通標準化, 2011(9):172-175.

[4]范躍武,李修忠,白興盈.探地雷達檢測公路結構層裂縫實用方法研究[J].公路交通科技, 2007,24(6):1-7.

[5]張娟,臺電倉,趙述曾.探地雷達在水泥混凝土路面改造中的應用[J].公路交通技術, 2007(2): 29-32.

[6]白冰,周健.探地雷達測試技術發展概況及其應用現狀[J].巖石力學與工程學報,2001,20(4):527-531.

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[8]張偉.引水隧道工程中地質雷達檢測技術應用綜述[J].山西水利科技,2014(3):42-43.

[9]范躍武,李修忠,白興盈.地質雷達在預應力梁鋼絞線孔道注漿質量中的研究[J].四川理工學院學報(自然科學版),2012,25(4):75-78.

[10]楊峰,張全升,王鵬越.公路路基地質雷達探測技術研究[M].北京: 人民交通出版社,2009.

收稿日期：2016-04-01；修改日期：2016-04-11

作者簡介：徐明波(1974-)，男，安徽合肥人，安徽省公路工程檢測中心高級工程師．

中圖分類號：U416.2；P225.7

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0208-04