探地雷達(dá)在城市道路無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用探究

周劍文 張建華

鄭州大學(xué) 管理工程學(xué)院 河南 鄭州 450001

引言

在道路驗(yàn)收、養(yǎng)護(hù)及提升改造過(guò)程中，通常需要對(duì)路面以下的地質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面下的不密實(shí)、脫空、裂隙等問(wèn)題，并采取行之有效的解決方案，為后續(xù)的工程進(jìn)展提供保障。

傳統(tǒng)的城市道路工程質(zhì)量檢測(cè)常采用隨機(jī)抽樣的方式檢測(cè)其厚度、壓實(shí)度、彎拉強(qiáng)度、彎沉值等指標(biāo)，判斷是否存在隱患、缺陷并定位其部位。然而，現(xiàn)有檢測(cè)方法尚存在以下問(wèn)題或不足：①觀測(cè)或采集的樣本量太小，不能反映道路整體質(zhì)量和運(yùn)行狀況，缺陷、病害漏檢的概率極大，容易留下隱患。②對(duì)道路產(chǎn)生不同程度的損害，留下的檢測(cè)痕跡很難恢復(fù)處理，很有可能為該路段埋下潛在的病害風(fēng)險(xiǎn)。③設(shè)備笨重，人工檢測(cè)效率低，成本高。④一些檢測(cè)方法探測(cè)深度受限，很難檢測(cè)到深部缺陷，從而導(dǎo)致漏檢誤檢。

相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，探地雷達(dá)檢測(cè)方法具有無(wú)損、快速、連續(xù)、高精度、高分辨、實(shí)時(shí)成像等優(yōu)點(diǎn)，從實(shí)用性、有效性、準(zhǔn)確性以及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，更能順應(yīng)城市道路檢測(cè)的全方位要求。

1 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)的基本工作原理是天線向地下介質(zhì)發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)電磁波遇到目標(biāo)體時(shí)，由于目標(biāo)體介電常數(shù)與周圍物質(zhì)介電常數(shù)之間存在差異，產(chǎn)生反射回波。由雷達(dá)接收天線接收目標(biāo)體的反射回波，并通過(guò)相應(yīng)計(jì)算分析過(guò)程判定目標(biāo)體的位置及其性質(zhì)[1]。

2 雷達(dá)檢測(cè)的準(zhǔn)備工作

在開始檢測(cè)前需確認(rèn)測(cè)試的目的和要求，據(jù)此制定詳細(xì)的測(cè)試計(jì)劃，確定需要的儀器型號(hào)、相關(guān)的測(cè)試軟件，以及合適的天線配置并制定檢驗(yàn)檢測(cè)方案。

2.1 收集與檢測(cè)目標(biāo)所處環(huán)境的基礎(chǔ)資料

檢測(cè)目標(biāo)所在位置的水文地質(zhì)環(huán)境、周邊毗鄰建筑物、地面地下交通安全情況、地下雨污水管網(wǎng)及電力排管等因素，都會(huì)影響探地雷達(dá)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。對(duì)基礎(chǔ)資料的收集，既可以為制定測(cè)試程序提供依據(jù)，又可為測(cè)試數(shù)據(jù)的處理和解釋提供必要的參考。

2.2 測(cè)線及測(cè)網(wǎng)的布置

在檢測(cè)開始之前，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)的特征進(jìn)行合理的測(cè)線及測(cè)網(wǎng)的布置。測(cè)線及測(cè)網(wǎng)的布置與目標(biāo)的大小和所處方位有關(guān)。測(cè)線應(yīng)該沿與物體的長(zhǎng)軸或走向垂直的方向布置。當(dāng)目標(biāo)長(zhǎng)軸方向不明確時(shí)，宜采用測(cè)網(wǎng)布置。應(yīng)控制好測(cè)網(wǎng)間距，使探地雷達(dá)的檢測(cè)范圍全方位覆蓋，對(duì)疑似缺陷部位進(jìn)行位置標(biāo)記，以便記錄平面位置。

2.3 儀器參數(shù)的選擇

選擇合適的測(cè)量參數(shù)直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量參數(shù)包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、接收天線間距等。

一般而言，雷達(dá)發(fā)射的電磁波的穿透深度取決于地下介質(zhì)的電性和波的頻率。導(dǎo)電率越高、頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。對(duì)于城市道路探地雷達(dá)缺陷檢測(cè)而言，檢測(cè)面層厚度一般采用2500MHz天線，檢測(cè)基層厚度一般采用900MHz天線，檢測(cè)路基病害一般用500MHz和100MHz天線[2]。

2.3.2 天線間距的選擇。天線間距S的確定，是目標(biāo)體最大深度與接收和發(fā)射天線形成的夾角為臨界角的兩倍，即：

可以看出，增加天線間距，可加大探深；不過(guò)，增加天線間距將給測(cè)試工作帶來(lái)極大不便，更重要的是，隨天線間距的增加，垂向分辨率將降低。所以在實(shí)際工作中，天線間距S通常取目標(biāo)體最大深度的20%。

3 探地雷達(dá)在城市道路缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用研究

本文以鄭州市“一環(huán)十橫十縱”示范街道整改提質(zhì)工程項(xiàng)目檢測(cè)為例，展開應(yīng)用研究。根據(jù)搜集到的基礎(chǔ)資料，目標(biāo)段工程區(qū)間長(zhǎng)度5035m，呈東西走向，位于城市高架橋下方輔路，雙向六車道?，F(xiàn)按照車道左右輪跡帶進(jìn)行測(cè)線布置。采用LTD-2600型工程雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)該工程委托部位輔路行車道道路內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行檢測(cè)。一般而言，道路結(jié)構(gòu)層和基層交接處，基層和素土路基交接處易發(fā)生空洞，不密實(shí)等缺陷，根據(jù)道路內(nèi)部缺陷深度選擇GC400 MHz天線較為合適。調(diào)整雷達(dá)介電常數(shù)為9.0，時(shí)窗設(shè)置為40ns，掃描速度為256道/秒，采樣點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)/道，自動(dòng)增益為關(guān)閉狀態(tài)，濾波設(shè)置為打開狀態(tài)，探測(cè)方式設(shè)置為測(cè)距儀控制。

3.1 數(shù)據(jù)處理及圖像解釋

對(duì)探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理和圖像解釋是進(jìn)行地質(zhì)分析的關(guān)鍵。探測(cè)的雷達(dá)圖形以脈沖反射波的形式記錄，以波形和灰度顯示出探地雷達(dá)的剖面圖像。地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，當(dāng)波發(fā)出后，不同介質(zhì)會(huì)對(duì)波產(chǎn)生不同程度的吸收和反射，使得脈沖返回到接收天線時(shí)，波幅減小，能量削弱，波形變得與初始發(fā)射波形大不相同。當(dāng)受到外界環(huán)境不同程度的噪聲干擾和鐵磁物體的影響時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也會(huì)受到波動(dòng)。因此，必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚愿纳圃紨?shù)據(jù)的信噪比，增加檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，為后續(xù)的地質(zhì)解釋提供清晰可辨的圖像。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還應(yīng)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)中遇到的可能會(huì)引起圖像異?，F(xiàn)象的情況并做好原始記錄，在雷達(dá)成像上也應(yīng)做出相應(yīng)標(biāo)識(shí)，以便對(duì)各類圖像進(jìn)行解釋提供依據(jù)。

經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)處理后的數(shù)據(jù)可以起到消除隨機(jī)噪聲、壓制干擾、改善背景的作用。背景消除可以有效將雷達(dá)的直達(dá)波及固定波消除，凸顯探測(cè)目標(biāo)信息。當(dāng)探測(cè)到異常目標(biāo)時(shí)，波形會(huì)呈現(xiàn)急劇變化，使目標(biāo)的雷達(dá)信號(hào)更加直觀。道間平均適用于在背景比較雜亂、噪聲水平較高的探測(cè)環(huán)境下，通過(guò)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均以達(dá)到抑制噪聲，使有用信號(hào)凸顯。進(jìn)行自動(dòng)增益可以補(bǔ)償介質(zhì)吸收并有效抑制雜波，進(jìn)行濾波處理可去除高頻、余振和背景噪聲的影響，突出目標(biāo)體。進(jìn)行水平和垂直濾波，可以保留有效波形，過(guò)濾掉干擾波，減少直達(dá)波的影響。干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。

圖像解釋和異常識(shí)別是探地雷達(dá)檢測(cè)的核心內(nèi)容，也是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過(guò)程。一方面基于探地雷達(dá)圖像的正演結(jié)果，另一方面基于工程實(shí)踐獲得。只有得到高質(zhì)量的探地雷達(dá)圖像并能正確地識(shí)別異常，才能獲得可靠、準(zhǔn)確的探測(cè)解釋結(jié)果。

3.2 雷達(dá)成像圖分析

以工人路～嵩山路段輔路行車道地質(zhì)特性檢測(cè)結(jié)果為例，其雷達(dá)成像圖見圖1。該路段車道右側(cè)測(cè)線43中，K0+043～K0+055波形界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈帶狀長(zhǎng)條形分布，三振相明顯，且不同層位存在多次相似反射信號(hào)，判定此處存在脫空缺陷；K0+068～K0+072波形界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型孤立體相位特征，在其下部呈倒三角強(qiáng)反射界面信號(hào)，判定此處存在空洞缺陷；K0+055～K0+064和K0+080～K0+087判定為存在輕度不密實(shí)缺陷，雷達(dá)成像表現(xiàn)為不同深度軸向錯(cuò)位、層間波形不連續(xù)，區(qū)域化分布較為集中，信號(hào)為較強(qiáng)反射信號(hào)。

圖1 工人路～嵩山路段雷達(dá)成像圖

以人和路～大學(xué)路段輔路行車道地質(zhì)特性檢測(cè)結(jié)果為例。該路段車道左側(cè)測(cè)線64中，K1+965～K1+971存在波形不在同軸同一水平線上，波形起伏較大，有褶皺，且不穩(wěn)定，影響深度范圍在0.79～1.28m之間，判定此處存在路基沉陷。

以行云路～南溪路段輔路行車道地質(zhì)特性檢測(cè)結(jié)果為例。該路段車道左側(cè)測(cè)線7中，K2+687～K2+692存在地下層位不連續(xù)的強(qiáng)電磁效應(yīng)，從而造成雷達(dá)反射波波形產(chǎn)生下凹現(xiàn)象。如果路基內(nèi)存在空洞裂紋等缺陷，在雷達(dá)上將反映出呈低頻、大振幅特殊的不規(guī)則強(qiáng)反射波[3]。如此，判定此處存在結(jié)構(gòu)層斷裂。

3.3 缺陷成因分析與鑒定

在工人路～嵩山路段中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)缺陷位置，發(fā)現(xiàn)主要集中在主路進(jìn)入輔路的分岔口處，車流量較為集中，且在該位置處有一處檢查井，埋置深度在路面以下1.5m處，上部采用黃沙回填。缺陷部位發(fā)生在深度0.76～1.54m處，位于路面結(jié)構(gòu)層下的原土基和回填土交界處，不排除因檢查井回填土不密實(shí)導(dǎo)致的路基空洞、脫空及不密實(shí)現(xiàn)象。

在人和路～大學(xué)路段中，路基沉陷深度在0.66～1.38m處，在路面上表現(xiàn)為瀝青路面呈龜裂狀，且車轍較深，局部沉陷。此處缺陷位于車道1左側(cè)靠近路緣石位置，可能存在路基壓實(shí)不到位情況，而花池內(nèi)雨水下滲對(duì)路基的沖刷也是其中原因之一。

在行云路～南溪路段中，結(jié)構(gòu)層斷裂深度在0.39～1.21m處。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙分析，此區(qū)域內(nèi)為機(jī)動(dòng)車道翻挖新建，新老路基搭接部位需將老路路基開挖臺(tái)階，并在開挖的臺(tái)階上鋪設(shè)GSL50/PE型雙向土工格柵。新老路面銜接處理需在新老路面基層交接處和基層與面層交接處粘50cm裂縫貼，以增強(qiáng)新老路黏結(jié)性和整體性。而發(fā)生缺陷的部位位于基層和路基處，因此不排除施工過(guò)程中新老路交接處理不當(dāng)引起的結(jié)構(gòu)層斷裂缺陷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次雷達(dá)檢測(cè)將缺陷部位進(jìn)行注漿后進(jìn)行了復(fù)測(cè)。注漿效果良好，缺陷部位得以有效修復(fù)和控制。在經(jīng)歷鄭州“7.20”特大暴雨后，該道路并未出現(xiàn)塌陷、沉降、斷裂等問(wèn)題。通過(guò)探地雷達(dá)在城市道路中的無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用，可以得到如下結(jié)論：道路缺陷的潛在風(fēng)險(xiǎn)多發(fā)生在施工過(guò)程中，可以通過(guò)加強(qiáng)組織管理，完善施工工藝，將隱患排除在萌芽之中；探地雷達(dá)在城市道路檢測(cè)中的應(yīng)用并不廣泛，還需要將其進(jìn)一步推廣，并在儀器精度和抗干擾能力上進(jìn)行改善；文中所列舉的缺陷已進(jìn)行鉆孔查驗(yàn)并得到證實(shí)，探地雷達(dá)的無(wú)損檢測(cè)的可靠度基本得到保障。