市政道路養護管理和探測技術分析

羅 坤

(合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230041)

0 引 言

隨著城市規模的快速擴張，地下空間大量開發，地鐵、高架、隧道的修建運營及越來越密集的地下管線，導致城市路面塌陷頻繁發生。此外，隨著我國公路重載交通的快速增長以及早期修建的高等級公路路面性能的退化，公路養護規模正在快速攀升，公路管理部門正面臨著越來越沉重的養護壓力；同時，隨著城市的不斷發展及擴張，早些年修建的城市道路也逐漸達到了設計使用年限，城市道路養護工程規模必將不斷擴大。如何在保證不影響市政管線正常使用的前提下對路面實施養護工程，將成為未來城市道路養護工程的一大難點。

因此，市政道路的正常運行離不開對道路狀況的及時的檢測和評價，以及準確與科學的道路養護方案。而方案設計的準確性，又在很大程度上依靠前期路況調查的全面性及準確性。現階段，我國已基本普及了路面表面性能的快速自動化檢測，檢測指標包括路面破損、路面平整度、路面車轍及路面抗滑等；但對于深層結構破壞層位、破壞程度及結構層完整性等指標，仍停留在點狀的有損檢測或慢速的無損檢測層面，無法做到快速及全斷面覆蓋；而對于城市道路路面結構內部管線鋪設位置及破損情況，測量難度更高，從而導致養護方案設計準確性不足，道路塌陷問題頻發，因此構建一套科學的道路健康狀況評價方法是市政道路養護需要進一步解決的問題。

1 市政道路養護管理機制

市政道路的養護需要加快構建規范高效的養護管理體系，提升養護資金的使用效率和路況水平，深入推進養護高質量發展。因此，應該做到以下幾點。

1.1 加強市政道路的養護管理，建立養護機制

隨著道路建設不斷飽和，在役道路的養護、維修必將成為趨勢，市政道路的養護重要性不言而喻。養護管理部門必須充分重視，建立一整套系統的養護機制，包括設計、施工、檢測等循環模式，用科學、系統的方法對道路進行全方位體檢[2-4]。

1.2 規范開展市政道路狀況數據采集和評定分析，加強自動化檢測技術的應用

應按照相關管理規定和技術標準的要求，對市政道路進行檢測，全面掌握市政道路技術狀況，及時排查和發現各類風險。定期開展全面的技術狀況分析工作，科學評估基礎設施的安全性、耐久性、適應性，把握當前薄弱環節。運用科學的分析手段進行綜合分析、評估，探索建立以病害為導向的回溯機制，分析性能衰減規律和病害成因。完善路況自動化檢測技術，大力推廣應用多功能一體化檢測設備，提高檢測專業化水平。推廣應用日常養護巡查設備和手持移動終端，提升巡查的時效性和安全性[5]。

1.3 加快構建市政道路基礎數據庫，夯實養護工程科學決策基礎

準確、翔實的市政道路全設施基礎數據庫是養護工程科學決策的基礎。應對管養的基礎設施進行全面系統的梳理，梳理范圍包括路線、路基、路面、附屬設施等城市道路資產的各類數據，涵蓋基礎屬性數據、建設和養護歷史數據、交通數據、其他決策數據等。充分利用信息化手段，將市政道路全設施要素數字化，整合并升級完善各類單項數據庫，構建覆蓋全面、數據準確、管理便捷的市政道路全設施基礎數據庫[6]。

1.4 完善養護檢測體系，提升信息化管理水平

提高養護的整體工作效率必須在原先管理模式的基礎上，建立起一套更高效、可行的養護管理信息化新模式。建立豐富的數據庫，及時更新，確保信息的時效性，開放管理、使信息透明公開，以適應現代化城市道路養護數據精確、全面和快速的信息化需求，形成城市道路專用管理系統[7]。

1.5 合理設定養護目標，測算養護需求

市政道路養護目標以市政道路技術狀況指標為主，兼顧城市路網運行狀況指標。應結合本地區市政道路的技術狀況現狀、交通量、管理因素、資金約束等因素，針對不同基礎設施種類，分別確定養護目標。在特征差異明顯的地區，應分區域分別制定合理的目標。

依據當前市政道路狀況數據和設定的目標，開展養護需求分析，篩選出未來一定時期內需要實施養護工程的路段或者構造物部件等，提出下一年度或下一階段的養護投資建議。以此為主要依據，結合管理需求等，編制中長期規劃和確定養護工程項目庫。應不斷完善養護需求分析技術，構建本地化的結構模型庫、養護方案模型庫、養護決策模型庫等。積極開展市政道路狀況預測模型的本地化驗證工作，針對典型結構類型和養護方案，開展長期性能研究，建立適合本地特征的性能預測模型，并不斷修正完善[8-12]。

1.6 優化提出養護工程年度建議計劃，做好項目統籌

結合安全運行狀況，綜合考慮年度養護資金規模、養護目標、項目庫的儲備更新情況，優化提出養護工程年度建議計劃。當養護資金不足的情況下，應在養護工程項目庫和年度養護需求分析基礎上，開展資金優化分配分析，在確保安全的前提下，按總效益最高或費用最低的原則，將養護資金優化分配到最需要養護的項目上。

隨著市政道路通行壓力逐年增大，市政道路的建設標準也在不斷提高，如何更好地使道路長期處于優良狀態，更好地滿足城鎮發展的需求，必須重視、加強市政道路養護管理工作。市政道路檢測和評價是養護工作的基礎，《城鎮道路養護技術規范》作為市政道路養護工作中的重要標準，為市政道路養護工作提供了重要的評價依據，但是在實際養護工作開展中對該規范使用不充分，有待進一步提升。因此應加強《城鎮道路養護技術規范》的推廣和應用。

2 探地雷達技術在市政道路檢測中的應用

根據道路養護設計的需求及特點，結合國內外先進的路況檢測裝備研究成果，開發出一套可以在正常車流速度下準確檢測路面結構層內部破壞狀況的檢測設備，并形成配套的處理軟件及數據使用分析方法，將可以有效提高道路養護方案設計的準確性及工作效率，提高地下災害預警能力。探地雷達雖出現得較晚，但是在探測淺層地下目標上其技術較為新興，與需求相符。

2.1 探地雷達國內外發展狀況

探地雷達作為目前道路地下隱形病害的主要檢測方式，其發展大致可以分為三個階段，即發明階段(1900—1960年)、發展階段(1960—1980年)和成熟階段(1980—至今)[13]。

第一個階段的主要成就是提出了采用電磁波進行地下探測的概念，并闡明了其可行性，開展了簡單的實驗。第二個階段的主要成就是研究出了探地雷達系統，并逐步將探地雷達系統在低耗介質中的探測發展到有耗介質的探測，建立了電磁波脈沖完成地下探測的基本理論。第三個階段，探地雷達進行地下探測的機制清楚，建立了從數據采集、數據處理到解釋的方法技術，廣泛地開展探地雷達的應用，取得了非常好的探測效果，成為一種成熟的探測技術[14]。

我國在對國外探地雷達儀器進行引進的同時，也開始自主研發探地雷達系統。20世紀70年代初期，西安交通大學、青島電波傳播研究所、成都電子科技大學、北京郵電大學等單位先后開展了探地雷達的研制工作。雖然我國的探地雷達研究起步較晚，但我國及時引進和借鑒了國外的先進技術，近些年來，我國在該領域也取得了較為突出的成果，許多單位推出了自己的探地雷達樣機。這些雷達系統雖然存在許多缺點和不足，但是作為我國自主研發的探地雷達系統，它們打破了長期以來進口產品在國內的壟斷地位，逐漸開始在市場上占有一席之地。此外，多家單位及其他一些高校和研究所均做過探地雷達儀器研制和野外試驗工作，但由于種種原因，研究成果未能得到廣泛應用。

2.2 探地雷達技術路線

二維探地雷達是采用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標體，或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁技術。其工作原理為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發射天線發射，經目標體反射或透射，被接收天線所接收，如圖1所示。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電性質及集合形態而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構狀態[15]。

圖1 二維探地雷達工作原理

實測時將雷達的發射和接收天線沿道路表面施測，電磁波通過天線進入被測物體中，遇到檢測物體中間的不連續面、檢測物體與空氣分界面、檢測物體各層分界面、基礎中的裂面等產生反射，接收天線接收到反射波，測出反射波的入射、發射雙向走時，即可算出反射波走過的路程長度，從而求出天線距反射面的距離。雷達天線可沿測線連續滑動，每個測點的時間曲線可以匯成時間剖面圖像，多個測點資料匯成的時間剖面，將各測點接收到的同一反射波繪成圖像，就可直觀地反映出各種不同的反射面。雷達實測時的工作原理如圖2所示。

圖2 二維探地雷達實測時工作原理

三維陣列探地雷達系統，采用了矩陣式陣列天線和多通道實時三維成像技術，對地下空洞和各類道路結構病害檢測目標可以精確實現空間真三維成像。應用車載式三維陣列雷達系統，進行公路道路全斷面、全覆蓋三維透視綜合檢測，以達到以下目的[16]：

(1) 對公路道路結構層厚分布做出全斷面檢測，詳細查明道路全斷面寬帶范圍內面層、基層、墊層等結構層(亦可包含下處理及橋涵回填工程)的厚度及其三維空間精確位置分布，全面準確評價公路道路結構層工程施工質量。

(2) 對道路結構層表面和內部的各類病害進行由表及里的全斷面綜合檢測，詳細查明道路各類裂縫及其在結構層內的三維空間發育位置和延展深度，查明結構層破碎、沉陷、脫空、浸水、唧泥等各類病害的空間位置、發育范圍和深度。

(3) 對道路路床、路基進行全斷面綜合檢測，詳細查明路基富水彈軟、松散、沉陷、脫空、塌陷空洞等各類病害的三維空間位置、發育范圍和深度。

(4) 形成檢測結果，全面評估和評價道路工程施工質量、道路結構層和路基的病害情況，道路結構運營服務功能狀況，并依據檢測數據對道路質量缺陷和結構病害成因做出分析。

(5) 分析道路工程質量和病害現狀可能產生的影響程度，為缺陷處理和道路養護設計提出建議和工程方案，實現精細化養護和預防性養護。

(6) 實時真三維成像，易于解譯判讀。由于采用了矩陣式陣列天線和多通道實時三維成像技術，對地下空洞和各類道路結構病害檢測目標可以精確實現空間真三維成像，成像精度和數據信息質量和可靠性均遠遠高于二維多通道雷達。同時，實時真三維成像技術可以對各類不規則目標進行完全一致的空間三維成像，因此對于解譯雷達數據、判讀目標將大大提高解譯判讀的效率和準確性，確保取得真實可靠的精確檢測成果。

(7) 精確定位，精確確定工程量。精確坐標定位和實時三維成像相結合，能夠準確可靠地定位目標位置，發育范圍，發育深度，從而準確定性目標屬性，精確測量出目標的空間形態和體量， 據此編制對目標采取工程處治、養護施工的技術方案，精確確定其工程量。

(8) 道路塌陷災害檢測與日常管養檢測相結合。ZRY-TD 三維陣列探地雷達系統與 CICS 激光光學路況快速檢測平臺集成和融合，實現了道路塌陷災害檢測預警與道路病害日常管養相結合，實現了防災預警的可持續常態化。同時，三維陣列雷達技術的引入，將道路路況檢測從傳統表面光學檢測提升到從表面到結構內部的全方位三維立體綜合檢測，極大地提高了道路檢測的質量和效率，有助于實現道路精細化養護和預防性養護。

采集軟件特點：如圖3所示，實時采集、處理和保存雷達檢測數據，顯示三維切片圖；提供實時經緯度信息，并在地圖上顯示實時位置及測線。

圖3 三維陣列探地雷達“管道”檢測圖譜

三維陣列探地雷達數據處理軟件數據處理軟件特點：查看三維切片圖；數據編輯、分析處理；高精度地理位置信息(配合 GPS、RTK、全站儀、慣性組合導航)。如圖4所示。

圖4 三維陣列探地雷達數據處理

2.3 二維、三維探地雷達對比

三維陣列雷達可實時真三維成像，對檢測目標的測量和判讀更加精確可靠； 同時，三維陣列雷達數量眾多的矩陣式天線單元確保了對目標的數據采集和信息提取更加完整可靠。二維雷達不能對目標三維成像，僅能以回波波形方式對目標進行抽象成像，因此，其目標識別難度較大，判讀二義性不高；同時，二維雷達對目標的數據采集和信息提取的質量和可靠的性遠低于三維陣列雷達。 但三維陣列雷達設備價格比二維雷達昂貴，設備投資較大；三維陣列雷達的檢測作業數據采集量遠遠高于二維雷達，因此三維雷達的內業數據處理工作量顯著高于二維雷達[17]。

3 結束語

準確及科學的道路養護方案，是實現養護目標及養護工程投資效益最大化的前提。相信雷達檢測技術在未來會隨著科技的不斷進步而開展得更加便捷有效，從而得到廣泛的應用，更好保障城市道路運營的安全和穩定，更好地服務于公眾日常出行。