探地雷達技術(shù)在多元結(jié)構(gòu)道面檢測中的應(yīng)用

王富鵬

民航機場建設(shè)工程有限公司（300456）

據(jù) 《2019 年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》[1]統(tǒng)計，年旅客吞吐量超100 萬人次的通航機場有106個，年旅客吞吐量超1 000 萬人次的通航機場有39個； 年貨郵吞吐量超10 000 t 以上的通航機場有59 個。 可見，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，航空運輸日漸成為的人們的首選。

機場的道面類型主要可以分為兩類:一類是用水泥混凝土構(gòu)筑成的剛性道面，一類是用瀝青混凝土構(gòu)筑成的柔性道面。 歐洲、中亞地區(qū)以柔性道面為主，而我國則以剛性道面為主[2]。在機場道面日常使用、維修過程中，瀝青道面因其具有維修、養(yǎng)護便捷，飛機行駛平穩(wěn)舒適，施工速度快、周期短等明顯優(yōu)點， 在國內(nèi)外的各大中型機場的新建、 改建、擴建、修復道面等工程中被廣泛采用。

對機場道面檢測理論、方法、技術(shù)等進行研究，是促進我國民航業(yè)高速發(fā)展的重要舉措。

文章依托某機場道面改擴建工程，對探地雷達在機場道面病害檢測方面的應(yīng)用進行分析。

1 檢測計劃

1.1 檢測原理

在雷達檢測中最常用的計量單位是納秒（ns），它是一個時間單位。 另外，時窗也是利用雷達進行數(shù)據(jù)采集時必須要設(shè)置的參數(shù)， 其單位就是納秒（ns）。雷達使用者通過設(shè)置的時窗來確定探地雷達主機系統(tǒng)在發(fā)射電磁波信號后什么時間就可以開始記錄天線接收到的、 經(jīng)地下反射回的電磁波，也就是控制整個傳播過程的時間。

雷達的電磁波信號的穿透能力與被測目標所在環(huán)境的介質(zhì)有很大關(guān)系，也就是與介質(zhì)的電導率有關(guān)。電導率可以理解為阻抗，介質(zhì)的電導率越大，電磁波能夠穿透的深度越淺。雷達發(fā)射的雷達波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)有很大關(guān)系，介質(zhì)的介電常數(shù)越小，雷達波在介質(zhì)中的傳播速度就越大。

1.2 檢測參數(shù)

探地雷達的檢測參數(shù)見表1。

表1 探地雷達檢測參數(shù)

1.3 檢測方案

一般而言，雷達檢測技術(shù)是沿線追蹤技術(shù)，其可以解決特殊定位問題。 雷達除了可以探測非金屬物體，還可以掃描較大的區(qū)域，在該區(qū)域事先并不知道管線的位置和數(shù)量。當探測管線時，垂直于探測的方向做許多掃描線，通過一系列的掃描可以得到正確的圖像。

機場公司提供的道面結(jié)構(gòu)資料顯示， 機場跑道原結(jié)構(gòu)設(shè)計情況如下（自下至上）:跑道兩端為15 cm級配碎石+22 cm 水泥混凝土+16 cm 瀝青混凝土（86 年加蓋）+14 cm（96 年加蓋），總厚度為 67 cm；跑道中段為15 cm 級配碎石+20 cm 水泥混凝土+15 cm 瀝青混凝土（86 年加蓋）+14 cm（96 年加蓋），總厚度為64 cm。 該機場跑道的橫向?qū)挾葹?5 m，檢測長度為2.7 km，測線方向為東西向，由南到北平行布置29 條測線（S1～S29），每條測線與相鄰測線的間距為1.5 m。 停機坪B2 長×寬為108 m×106 m，停機坪 B4 長×寬為108 m×76 m，測線方向為東西向，測線間距為1.5 m，由南到北布置35 條測線；停機坪E4 長×寬為88 m×60 m， 測線方向為東西向，測線間距為3 m，由南到北布置19 條測線。

滑行道C、E 的橫向?qū)挾葹?3 m，測線方向為南北向，測線間距為3 m，由西向東布置7 條測線；滑行道M 的橫向?qū)挾葹?3 m，測線方向為東西向，測線間距為4 m，由南到北布置5 條測線。

2 檢測結(jié)果分析

根據(jù)雷達檢測結(jié)果分析， 不同檢測部位的道面下方的病害種類均為5 種:松散不密實、空洞、脫空、含水和沉陷。 其中，松散不密實和空洞為主要病害，分布廣泛；局部有脫空、含水和沉陷病害。

2.1 病害示例

2.1.1 松散不密實

表現(xiàn)特征:雷達波的反射接收信號非常強，同相軸不連續(xù)，表現(xiàn)為為錯斷、雜亂無章，多數(shù)情況下出現(xiàn)區(qū)域性質(zhì)的分布。 此外，針對松散不密實病害，可以利用雷達對其進行準確定位，然后進行現(xiàn)場鉆芯驗證（如圖 1 所示）。

圖1 松散不密實典型病害示例

通過鉆取的芯樣可知，構(gòu)層（由上至下）:30 cm瀝青混凝土+21.6 cm 水泥混凝土+碎石；層厚:第一層瀝青混凝土為70 mm， 第二層瀝青混凝土為75 mm，第三層瀝青混凝土全部松散，第四層瀝青混凝土部分松散，水泥混凝土為216 mm；層間:第一層瀝青混凝土與第二層瀝青混凝土粘接較好，第二次與第三層、第四層瀝青混凝土無粘接，第四層瀝青混凝土與水泥混凝土無粘接。

2.1.2 空洞

表現(xiàn)特征:雷達波的反射接收信號非常強，具有典型的孤立體相，一般情況下為規(guī)整或非規(guī)整的類似于雙曲線形狀的特征，并且三振相跡象特別顯著，下方出現(xiàn)不同介質(zhì)的明顯的反射介質(zhì)界面信號（如圖 2 所示）。

圖2 空洞典型病害示例

2.1.3 脫空

表現(xiàn)特征:雷達波的反射接收信號非常強，大多情況下出現(xiàn)水平狀的條帶，為經(jīng)過多次反射的信號（如圖 3 所示）。

圖3 脫空典型病害示例

2.1.4 高含水

表現(xiàn)特征:雷達波的反射接收信號非常強，低頻占據(jù)主要部分，大多情況下同時出現(xiàn)顯著的震蕩跡象（如圖 4 所示）。

圖4 高含水典型病害示例

2.1.5 沉陷

表現(xiàn)特征:雷達波的反射接收信號非常強，有明顯下沉跡象（如圖5 所示）。

圖5 沉陷典型病害示例

2.2 病害檢測結(jié)果統(tǒng)計分析

對整條跑道道面29 條測線的病害檢測結(jié)果進行統(tǒng)計（以每100 m 為一個測線段，對每個測線段的病害進行單獨統(tǒng)計），可以得到如下統(tǒng)計圖:

圖6 各個測線段不同病害統(tǒng)計圖

由圖6 可知，整條跑道不同位置處所出現(xiàn)的病害情況各異。 松散不密實病害類型在整條跑道上表現(xiàn)最為明顯，其最少處位于1 300～1 400 m 測線段，總數(shù)約為250 個；最多處出現(xiàn)于2 100～2 300 m 處，總數(shù)約為900 個。 空洞病害現(xiàn)象在整條跑道上呈現(xiàn)西多東少的趨勢，但是東西兩側(cè)的空洞數(shù)量并沒有太大的差異，整條跑道的空洞個數(shù)約為200 個/hm。脫空、高含水兩種病害的出現(xiàn)頻率較為接近，且數(shù)量較少，在每個測線段內(nèi)分布較為均勻，約為25 個/hm。 總體來看，某機場的跑道病害情況已經(jīng)較為嚴重了，急需修復。

3 鉆芯驗證

當雷達檢測工作結(jié)束后，可根據(jù)檢測結(jié)果綜合判定道面情況，并依據(jù)判定結(jié)果進行現(xiàn)場鉆芯檢測。在每個鉆芯區(qū)域至少鉆取5 個芯樣。 在跑道兩端以及跑道中段，著重選取探地雷達測試中病害狀況表現(xiàn)明顯的位置鉆取芯樣， 同時應(yīng)避開飛機起降區(qū)域，以免對機場運行和飛行安全造成影響。

鉆芯結(jié)果如下:

1）位置:橫向距南邊線5.0 m、縱向為P0+44 m處。

結(jié)構(gòu)層 （由上至下）:30 cm 瀝青混凝土+20 cm水泥混凝土+碎石。

層厚:第一層瀝青混凝土為8.4 cm；第二層瀝青混凝土大部分破碎松散；第三層瀝青混凝土大部分破碎松散；底部水泥混凝土芯為20 cm。

層間結(jié)構(gòu): 芯樣中部的瀝青混凝土呈部分或全部松散脫落狀，中部不能明確分層，底部的水泥混凝土上表面離析現(xiàn)象明顯，呈蜂窩狀。

2）位置:中線偏南 2.5 m、縱向為 P0+72 m 處。

結(jié)構(gòu)層（由上至下）:36.6 cm 瀝青混凝土+30 cm水泥混凝土+碎石。

層厚:第一層瀝青混凝土為3.5 cm ；第二層瀝青混凝土為5.6 cm；第三層瀝青混凝土為12 cm；第四瀝青混凝土為6 cm； 第五層瀝青混凝土為9.5 cm；底部水泥混凝土為30 cm。

層間:第一層與第二層分開，界限明顯，交界面無黏結(jié)力，老化嚴重；第二層與第三層黏結(jié)較好，第二層頂部松散，其中2 cm 深度碎裂；第三層與第四層黏結(jié)在一起，第四層在取出時因受力而斷成兩截；第四層與第五層分界明顯，未黏結(jié)，已經(jīng)分離；瀝青混凝土與水泥混凝土分離，無粘接。

3）位置:橫向距北邊線 8.5 m、縱向為 237（即P2+37 m）m 處。

結(jié)構(gòu)層 （由上至下）:21 cm 瀝青混凝土+30 cm水泥混凝土+碎石。

層厚:第一層為100 mm；第二層瀝青混凝土為6 cm，大部分破碎松散；第三層瀝青混凝土為5 cm，大部分破碎松散； 底部水泥混凝土芯樣未取出；層間:第一層、第二層、第三層瀝青混凝土分離，無粘接；瀝青混凝土與水泥混凝土無粘接。

4）位置:距中線2.5 m、C 滑行道由北向南65 m處。

結(jié)構(gòu)層（由上至下）:25 cm 瀝青混凝土+23 cm水泥混凝土+碎石；層厚:第一層瀝青混凝土為10 cm；第二層瀝青混凝土為5 cm； 第三層瀝青混凝土為10 cm，松散脫落，大部分破碎。

水泥混凝土芯樣長度為23 cm。第一層、第二層瀝青混凝土和水泥混凝土完整。

通過在整條跑道不同位置處對病害情況進行鉆芯取樣驗證，直觀地證明了雷達檢測結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論與展望

通過雷達檢測發(fā)現(xiàn)，機場道面下方存在松散不密實、空洞、脫空、含水和沉陷等病害，其中以松散不密實、空洞為主。 這些病害廣泛存在，對機場跑道、滑行道、以及停機坪的性能有著較大影響。

檢測軟件的采集界面友好簡單，測試文件名可以取中文名或數(shù)字、字母名稱，方便客戶選擇；有中英文采集界面；不但可以利用二維剖面對數(shù)據(jù)進行解釋、判斷，也可以方便、直觀、準確地對目標進行定位，確定其位置和范圍[3]；數(shù)據(jù)存儲、顯示可以方便、自由地搭配軍工筆記本電腦或常規(guī)筆記本電腦，方便客戶選擇。

文章針對機場瀝青道面采用探地雷達進行檢測技術(shù)研究，對機場道面的建養(yǎng)與檢測工作有重要借鑒意義。