公路信息化檢測系統設計及應用分析

蔣國帥

(韶關市路興工程檢測服務有限公司，廣東 韶關 512000)

0 引言

在公路運營的過程中，施工工藝、荷載條件、環境變化和氣候條件等因素都會對公路的使用安全造成影響，誘使病害發生，而及時對病害進行修復處理或采取補救措施可以最大限度地減少損失[1]。在這個背景下，公路工程的質量檢測與養護的重要性愈發凸顯，而確保公路養護質量的關鍵就是如何確保病害檢測準確有效。

在公路工程中通常路基表面的病害較為明顯，通過肉眼觀察即可發現，且往往能夠得到及時有效的處理；但在公路面層與基層交界處、公路基層以及公路隧道襯砌等復雜場景下的病害檢測往往難以發現，不能得到及時處理。傳統的檢測方式多為有損探測，即鉆孔取芯判定，雖然其精準度高，但不能大范圍進行，不能對所有病害進行檢測，且在施工期間采用這種方法將會對施工的連貫性造成影響。因此，近年來許多專家學者對無損探測在公路工程中的應用進行了研究和探索。地質雷達探測作為一種新的無損探測技術，在單一物質檢測中已經應用非常廣泛，近年來在公路工程中也有應用的實例。以往公路工程的檢測過程中多采用人工鉆孔挖芯、抽樣測量，這樣不僅隨機性較大，不能代表整個公路的具體情況，而且檢測效率低下，不能滿足檢測需求。因此，本文擬基于地質雷達的無損檢測技術，提出一種適用于公路多場景的信息化檢測系統，并就相關應用實例進行效果分析。

1 傳統檢測與無損檢測對比分析

傳統的公路工程進行試驗檢測時多在施工完成路段進行隨機選點，并在所選點位置進行鉆孔取芯后檢驗相關的參數指標，這種檢測方式在試驗點位置的測量結果精度高，但其隨機取點的方式導致檢測結果難以代表整體。此外，傳統的檢測方式對檢測人員的操作技術要求較高，需要進行長時間培訓。鉆孔取樣過程也會擾動破壞公路的路面結構，影響施工連續性，嚴重時會影響工期。

基于傳統檢測方式存在的缺陷，專家學者們引入無損探測技術對公路工程進行檢測應用，無損探測當前一般分為：(1)以探地雷達為代表的電磁波探測技術；(2)圖像識別技術。探地雷達作為一種無損探測方式，工作原理是通過貼近地表的發射端發射高頻次的電磁波信號至地層中，由于不同物質的介電常數存在差異，電磁波在不同地層或物質的交界處會產生不同的反射界面，接收端接收反射波，再根據顯示的界面上同相軸的連續程度、電磁波的雙程走時顯示的分界面深度，得到深度和距離的平面圖像，結合項目的地質勘察資料和其他鉆孔數據去分析圖像，從而判斷病害類型、位置及大小。圖像識別技術則通過對公路外形進行紅外波段、激光全息方式或高清攝像方式拍攝形成圖像，并利用計算機視覺處理方法對圖像進行自動分析處理，通過圖像識別抓取路面輪廓，從而去判斷路面的病害，判定缺陷范圍。

相較于傳統檢測方式，無損檢測方式的優勢有：(1)不會對公路結構造成損傷，不影響連續施工作業，減少對施工的影響；(2)檢測速度快，通過檢測設備獲取材料參數，經設備處理后即可快速找到病害位置；(3)可以對整個公路項目進行檢測，結果與實際病害分布情況一致；(4)無損檢測對檢測人員專業水平要求不高，掌握檢測設備的操作方法即可。

2 公路信息化檢測系統設計

2.1 探地雷達的應用

探地雷達最早的應用是對冰層和鹽巖層的深度探測，經過一百多年的探索和應用，隨著數據處理技術的優化和改進，探地雷達在巖土工程、水環境調查、考古和工程檢測[2]等多個領域都發揮了很大的作用。就公路工程而言，探地雷達在路面結構層厚度、隧道襯砌厚度和超前地質預報溶洞探測等領域都已經得到了廣泛應用[3]。

2.2 信息化檢測系統設計

目前在我國采用探地雷達進行檢測時，由于部分場地環境平整度不足或現場施工環境的限制，導致其應用還是停留在人工抓舉天線進行探測的情況，這樣的檢測方式不僅效率不高，而且存在安全隱患。本文就目前探地雷達在公路檢測中存在的不足進行改進，構建公路信息化檢測系統(如圖1所示)。該信息化檢測系統可適用于多種公路檢測場景，主要包括運載系統、固定調控系統、液壓升降系統和信息處理系統。

圖1 信息化檢測系統圖

運載系統主要是定制的特殊車輛，起到承載固定調控系統、液壓升降系統及信息化處理系統的作用。固定調控系統主要由雷達天線卡盒、彈簧微調裝置和扭轉裝置三部分組成，可以在存在凹凸部位的公路路面及隧道等場景下應用，微調裝置能夠保證在移動過程中天線始終和檢測面緊緊貼合；扭轉裝置可使天線進行360°旋轉。液壓升降系統包括液壓千斤頂和升降桁架，起到調節檢測高度的作用，且升降便捷，空間利用率高。信息處理系統主要是連接雷達天線，對檢測數據進行實時處理分析。利用信息化檢測系統可在公路路面結構層厚度檢測、隧道襯砌厚度檢測、路面下空洞檢測和隧道襯砌背后脫空等場景下進行病害檢測，且檢測過程安全高效。

2.3 信息化檢測系統優勢分析

本文設計的信息化檢測系統較傳統的人力抓舉雷達天線進行測量的方式有以下優勢：

(1)運載系統時速最大可以到30 km/h，大大提高檢測效率。

(2)采用固定調控系統可以保證天線在凹凸面保持貼合，液壓升降系統可滿足高空測量需求，也可避免人員高空檢測作業的安全問題，安全性大大提高。

(3)信息化處理系統可實時對圖像進行分析處理，病害檢測反饋高效。

3 信息化檢測系統應用實例分析

3.1 項目概況

某高速公路路段修建完成后，業主單位在驗收階段擬對該高速公路全線的山嶺隧道襯砌厚度及背后是否存在空洞等問題開展檢測工作，委托的第三方檢測單位采用本文設計的信息化檢測系統進行該高速公路某隧道全線的檢測工作。檢測所采用的雷達型號為SIR-4000，選用900 m天線，有效探測深度為0.75～1.2 m，可滿足各種等級圍巖的隧道襯砌厚度檢測需要。

項目所檢測的隧道總長約為1 300 m，地勘報告顯示該隧道沿線的地質分布為：三級圍巖段約為800 m，四級圍巖段約為200 m，五級圍巖段約為200 m，圍巖類型主要為中風化和強風化的花崗巖和白云巖。三級圍巖段開挖方式為全斷面開挖，對巖層進行光面爆破；四級圍巖段采用臺階法開挖；五級圍巖段采用預留核心土開挖方式。

3.2 檢測過程

針對隧道的斷面情況，在該隧道設置五條測線，分別檢測拱頂、左右拱腰和左右邊墻位置。隧道各測線的分布如圖2所示。

圖2 隧道測線分布圖

在對隧道進行檢測前，要對天線進行介電常數的標定工作，調試信息化檢測系統，確保系統運轉穩定，對邊墻進行局部試檢驗后再展開檢驗工作。在進行隧道檢測過程中，由于本次所檢測隧道尚未進行底面找平，因此需要注意控制車速，防止天線脫空。同時，由于不同圍巖段的襯砌設計厚度不同，要注意在板縫交界處做標記，便于圖像結果的分析處理[4]。

3.3 檢測結果分析

對隧道全線進行襯砌厚度和襯砌背后空洞檢測工作后，對檢測的雷達圖像進行分析處理。在相同等級的圍巖段范圍內其隧道襯砌結構的設計相同，電磁波穿越的介質材料和厚度大致相同。正常的圖像反映在雷達圖像上表現為同相軸連續、水平均勻，層面分布明顯，無較強烈的波動信號，五級圍巖段二襯設計配有鋼筋。正常斷面雷達圖像如圖3所示。

在空洞所處斷面，各層面厚度出現差異，且存在空腔區，電磁波穿越空洞斷面時，介質穿越順序為混凝土-空氣-混凝土，由于空氣的介電常數遠大于混凝土的介電常數，反映在雷達圖像上常表現為同相軸不連續、不均勻，局部同相軸起伏強烈，或呈現出明顯的白-黑-白斜三角形圖像分布。襯砌背后空洞典型圖像如后頁圖4所示。

圖4 典型空洞斷面示例圖

不密實斷面各層面的介質分布不均勻，局部含水量變化過大或者施工工藝存在問題都可能導致不密實情況出現，反映在雷達圖像上表現為同相軸不連續、水平不均勻，多種反射波形出現，波形雜亂強烈，同相軸較少。襯砌不密實典型圖像如圖5所示。

圖5 典型不密實斷面示例圖

根據雷達探測圖像分析確定各種病害大小及所在樁號，對病害位置進行鉆孔驗證。結果表明，采用信息化檢測系統得到的結果與現場實際鉆孔驗證的結果一致。

4 結語

通過對傳統檢測方式與無損檢測方式進行對比分析，基于探地雷達無損探測技術提出了效率更高、精度更好的信息化檢測系統，解釋了信息化檢測系統中各部分的作用與聯系，以工程實例應用結果對信息化檢測系統進行了印證，并給出了典型病害的判斷方法，可以為公路工程的檢測項目提供指導，具有積極意義。