探地雷達在公路工程檢測中的應用分析

李鵬晶LI Peng-jing

（湖南省勘測設計院有限公司，長沙 410000）

0 引言

公路在長期使用的過程中，結構性能會受到各種因素的影響，因此，需要對其進行定期檢測，以保證綜合性能。其中，無損檢測技術能在不影響交通、不破壞公路原有結構的前提下進行檢測。近年來，探地雷達作為一種無損檢測設備，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，在道路無損檢測領域得到廣泛應用。

1 公路工程檢測要求

公路在投入使用一段時間后，由于外界因素的影響，以及施工中的一些問題，會導致路面出現不同程度的病害。因此，為保證公路工程的使用性能，必須進一步完善試驗檢測工作，明確公路存在的病害，并結合病害情況制定合理的養護、維修方案。

路面損壞檢測中主要采用目測法和探地雷達法，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。探地雷達法是一種高效先進的無損檢測技術，主要是通過探地雷達對路面內部結構進行勘探，再向地面接收設備發射電磁脈沖，接收到電磁脈沖后可以結合得到的數據進行分析與計算，從而得到路面受損的情況、位置。與目測法相比，使用探地雷達法檢測路面病害更快速、準確，但是成本更高，對試驗檢測人員的專業素質要求更為嚴格，因此，針對可以直接觀測的部位采用目測法，針對無法觀測的位置采用探地雷達法。

早在1904 年，德國人Letmbach 實現了雷達的第一次應用，在遠距離金屬物體探測中應用了電磁波信息技術。1910 年，Lowy 教授和G·Leimback 將雷達技術用于探地。從19 世紀70 年代開始，探地雷達的應用范圍擴展到隧道工程和公路、鐵道探測領域，到80 年代后期，西方發達國家已經很成熟地將雷達技術應用在公路檢測領域。1994年，美國發明了第一臺公路型探地雷達，同時應用了雷達技術，解決了探測公路結構層病害的問題。20 世紀90 年代初，吉林省某單位第一次使用探地雷達檢測了高速公路，隨后河北某單位使用探地雷達檢測了公路的厚度，廣東物探隊實現了機場跑道病害檢測，往后幾年，探地雷達被我國的技術人員應用到許多工程領域，如隧道、鐵路、公路和橋梁等。近十幾年，隨著現代化技術不斷發展和應用，以及國外相關公司（如瑞典MALA 公司、美國GSSI、意大利IDS 等）對探地雷達研發的不斷精進，使得探地雷達技術越來越成熟。本文主要圍繞探地雷達在公路工程檢測中的應用展開詳細分析。

2 探地雷達檢測原理及其應用要點

2.1 探地雷達檢測原理

探地雷達是一種利用電磁脈沖能量進入地面，從地面成分及物體中產生反射的技術。探地雷達發射的電磁波進入地面，在通過不同介質時，會發生相應的反射，通過分析接收到的反射波波形、振幅強度等信息，然后通過軟件對這些反射波進行分析，并將其轉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，實現了對公路內部情況的“透視”，為公路的安全進行深度“體檢”。

探地雷達是由一體化主機、天線及相關配件組成，其基本原理是通過發射天線、接收天線以及主機共同工作。探地雷達檢測基本原理見圖1，探地雷達探測公路病害時的工作原理見圖2。電磁波由空氣進入路面的混凝土層，會出現強反射（對應地面，并且由于空氣中電磁波傳播速度較快，這時地面對應的是負相位）；同樣，當電磁波由混凝土至路基，繼而由路基傳播到巖層時，如果交界處貼合不好，或存在空隙，亦會導致雷達剖面相位和幅度發生變化，由此可確定公路病害。電磁波遇到以傳導電流為主的介質，如地下中存在的金屬管線，會出現全反射，接收到的能量非常強，在雷達剖面上顯示強異常，以此可確定管線分布情況。

圖1 探地雷達檢測基本原理

圖2 探地雷達探測公路病害時的工作原理

2.2 探地雷達數據處理

雷達數據處理需采用專業的處理軟件，根據道路檢測雷達波的特點，數據處理流程如下：

①偏移處理。從現場采集的探地雷達原始數據，往往會出現振幅正負半周不對稱的情況，這是數據含有直流漂移量造成的，需要對數據進行偏移處理。

②靜校正。在雷達數據處理過程中，通常要將雷達數據校正到一個統一基準面，而且這個基準面一般為道路表面。

③能量增益。其就是對雷達圖像的增強處理，因為在地下有的反射處反射信號很強有的地方反射又很弱，強的信號會壓制弱的信號，所以需要對雷達信號進行增益處理。

④數字濾波。探地雷達在進行檢測時，由于受現場多元環境的影響，使得環境中存在的噪聲頻譜既有低頻也有高頻，需要對雷達信號進行帶通濾波處理。

⑤滑動平均。滑動平均是根據小波去噪的原理剔除信號里的噪聲和毛刺，讓圖像更加干凈和平滑。

2.3 探地雷達應用要點

探地雷達在公路工程檢測中的應用主要分為以下幾個步驟（圖3）：

圖3 探地雷達檢測基本流程

①搜集資料和踏勘現場，目的是對周圍環境、地下介質及地形進行了解，另外，也是為了掌握周邊工作環境、交通及干擾等情況。

②開展探地雷達檢測，首先是進行天線的選擇和測線的布置，主要是為了保證探測質量；隨后進行數據采集，收集由多條波形記錄組成的雷達圖像；探地雷達數據采集分為普查和詳查兩種，根據不同區域采取不同的檢測方式，并對異常區域進行標記和坐標定位，目的是為了確定病害位置。

③對病害進行分類，確定病害等級。

④針對病害提出相應對策。

3 實例探析探地雷達在公路工程檢測中的應用

3.1 項目概況

某道路路面為高速公路瀝青路面，其瀝青路面結構為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

為進一步驗證探地雷達技術對瀝青路面半剛性基層裂縫檢測結果的準確性，首先采用傳統的人工方法對裂縫路段的路面鉆芯取樣進行破損分析。本次在道路上隨機選取了47 條裂縫進行取芯，共取芯樣62 個，由于取芯設備的取芯有效桶長300mm，而面層+基層設計厚度為360mm，因此取出芯樣的面層與基層分離，但實際是完整的。

對所有芯樣進行統計，具體的芯樣統計結果如表1 所示。由于二灰土基層松散嚴重，導致取芯過程中，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、面層不密實和基層的貫穿裂縫等類型。

表1 芯樣統計結果

3.3 探地雷達對路面深層次裂縫的識別應用

3.3.1 設備選擇

通過對目前應用成熟的商業化三維探地雷達的前期調研，三維探地雷達主要包括頻域雷達（步進頻率天線）和時域雷達（同頻率天線）兩種類型。步進頻率天線的帶寬為100～3000MHz，可有效探測0.2～10m 的深度，更加適用于對未知深度缺陷的探測。而同頻率天線由同一頻率天線交錯等距排列組成，對固定深度的探測較為精確，適用于已知深度缺陷的檢測。三維探地雷達分別采用步進頻率天線和同頻率天線的現場裂縫測試效果對比可知，步進頻率天線于路面結構內部病害識別率較低，平面圖像成像效果一般，不適用于路面缺陷探測；而同頻率天線能對路面病害具有較好的識別度，若采用1300MHz 高頻天線陣，可進一步提高對于路面內部病害的識別精度。

3.3.2 路面裂縫識別

對經過人工步檢及鉆芯取樣的路段進一步采用探地雷達對裂縫進行檢測分析，判斷瀝青路面半剛性基層是否存在開裂或其他破損狀況。雷達檢測方法為：沿輪跡帶連續檢測并在裂縫處做標記，檢測到的典型裂縫雷達圖像如圖4 所示。

通過圖4 所示的雷達圖像結果對比分析可知，瀝青路面上產生的裂縫在路面內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部僅裂縫處出現信號增強的情況，所以路面內部僅開裂，而周邊未出現松散、層間不良等病害，統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，裂縫處所在路面內部裂縫周圍均出現了信號增強的情況，因此路面內部不僅開裂，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 路面裂縫檢測結果分析

對瀝青路面面層產生裂縫的位置處采用三維探地雷達進行裂縫探測，通常使用保持雷達參數不變沿原測線對裂縫情況再次進行檢測的方法進行測試。路面結構整體完善與路面結構內部有病害處的電介質常數的偏差較大，因此在雷達圖像中可以看到路面結構內部病害處的雷達圖像振幅變化較路面內部結構完整的更為明顯。

瀝青路面裂縫處檢測到的結構內部狀況雷達圖像如圖5 所示。圖5 中箭頭為裂縫所處位置，方框圈出了路面結構內部的裂縫變化狀況。通過雷達圖像對比分析可知，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”裂縫且存在結構松散，雷達圖像信號在裂縫位置處發生明顯變化。

圖5 路面裂縫處檢測的雷達圖像

4 結語

綜上所述，探地雷達技術作為一種無損檢測技術，可高效且高精度反映道路淺部地質結構信息。在公路工程運行中，應合理運用該技術有效檢測公路裂縫、空洞、坑槽等病害狀況以及路面厚度，檢測人員通過對接收到的數據進行分析，可以得知病害存在的位置、形狀，以此確定病害的程度，然后對存在的病害進行分析，采取針對性的處理措施，保證公路工程可靠運行。