高速公路建設中的快速無損檢測技術分析

熊延華,田 華,陽應榮,溫肖博

（貴州省公路建設養護集團有限公司,貴州 貴陽 550014; 2.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來，我國在基礎設施建設方面投入了大量資金，推動經濟社會的健康發展。為鼓勵交通運輸基礎設施建設，政府實施了一系列優惠政策。然而，高速公路混凝土路面存在材料差異和孔隙率高等問題，傳統探測技術難以直觀分辨道路損傷情況。近年來，探地雷達技術被廣泛應用于公路工程領域，并取得了良好效果。該技術能無損檢測公路路面結構層厚度和路基路面質量，提供各項指標參數和公路使用性能評價，同時也能獲取公路路基、鋼筋混凝土路面結構層厚度、路拱橫坡和病害情況等數據，為病害原因分析和補強加固提供準確參考，有助于提高公路性能和延長使用壽命。該文探討了探地雷達技術在提升工程質量、加快施工進度和降低成本等方面的作用和意義，并通過對現有技術的綜合研究和實踐經驗的總結，旨在為高速公路建設提供更快速、更準確的無損檢測解決方案，以推動高速公路建設的可持續發展。

1 探地雷達無損檢測技術

1.1 探地雷達技術原理

三維探地雷達利用高頻脈沖電磁波在地下傳播時，當不同介電屬性的物質層存在界面差異時，電磁波會發生折射和反射，返回地面并通過接收天線接收回波信號。在電磁波的反射和穿透過程中，其波形和強度會因介質的幾何形狀和電磁特性變化而改變。通過分析接收到的探地雷達脈沖波形和繪制雷達波譜圖，可以利用計算機對雙程走時、振幅、波長和信號強度等特征進行分析和處理，進而獲得地下的三維空間、幾何形態和介電特性信息。通過分析雷達圖像，可以直觀地觀察地下道路損傷情況，實現對路面內部病害的快速、無損檢測[1]。

1.2 探地雷達的作用

探地雷達在高速公路建設中的應用有利于進一步提高高速公路建設質量和效率。

（1）精確無損檢測。探地雷達可以對高速公路的路基、路面和鋼筋混凝土結構層精確地進行無損檢測，包括測量厚度、質量和結構特征等。通過獲取準確的數據，可以評估工程質量、發現病害和缺陷，并及時采取修復和加固措施[2]。

（2）提高施工效率。探地雷達以高速率進行數據采集和處理，可以快速獲取地下結構的信息，有助于加快施工進度和決策過程，減少工程延誤，并提高施工效率。

（3）降低施工成本。通過精確的無損檢測，可以避免不必要的拆除和重建，減少施工中的浪費和成本。探地雷達可以幫助識別結構的強度和質量問題，并及時采取適當的措施，降低施工過程中的風險和成本[3]。

（4）延長使用壽命。通過定期或階段性的探地雷達檢測，可以監測和評估高速公路的結構健康狀況，及時發現并修復潛在的病害和損傷，有助于延長公路的使用壽命，提高交通安全性和可持續性[4]。

（5）數據支持決策。探地雷達提供的數據可以用于工程設計、施工監控和維護管理等方面的決策支持。通過對數據的分析和解釋，可以制定合理的工程方案，并進行有效的資源分配和管理。

探地雷達在高速公路建設中起著重要的作用，可以提供精確的無損檢測、提高施工效率、降低成本、延長使用壽命，并為決策提供可靠的數據支持[5]。這種技術的應用有助于提升高速公路的質量和可持續發展。

1.3 探地雷達技術優點

三維探地雷達在近地表工程勘探中廣泛應用，具備高分辨率、準確性高、效率高、結果直觀、全覆蓋等特點。其主要優點包括：

（1）數據全覆蓋、高密度：通過多通道采集技術，三維探地雷達獲取的雷達數據具有全覆蓋和高密度的特點，能夠較全面地了解地下結構的信息。而且，采取多通道采集技術時，數據的安全性相對較高。

（2）高數據分辨率：三維探地雷達具備高數據分辨率，能夠直觀地查看地下物體的異常狀態可以，并可以滿足不同深度探測的要求，通過選擇不同中心頻率的雷達天線，可以獲得更詳細和精確的數據。

（3）任意平面和深度數據截取：該技術可以對獲取的數據進行截取和分析，使得處理結果可以展示在任何平面和深度上，實現了數據的三維展示，方便對地下結構進行全方位觀察和分析。

（4）高數據采集效率：三維探地雷達的數據采集效率較高，不會影響施工作業的進行。這使得在探測作業期間可以高效率、快速地獲取數據，同時不會損壞路面或結構，實現了無損探測。

（5）廣泛適用范圍：三維探地雷達適用范圍廣泛，不僅可以對公路路面的厚度、強度和結構層質量進行檢測，還可用于工程質量評價和結構層厚度測試等領域。其在土木工程、建筑工程、地質勘探等領域有著廣泛的應用。

（6）高探測速度：三維探地雷達采用低頻率的雷達發射天線，使得探測速度非常快。在高速公路路基、路面和鋼筋混凝土路面結構層厚度檢測中，可以在短時間內完成大型檢測項目。

（7）快速數據處理和成像速度：由于三維探地雷達的天線頻率較低，數據采集速度相對較快，有助于加快數據處理和成像速度，提高工作效率。

（8）強大的圖像識別能力：三維探地雷達具備較強的圖像識別能力，可以分辨出微小的差異。通過軟件處理和圖像識別的方法，對采集的數據進行優化處理，得出可靠的結果。

（9）應用范圍廣泛：三維探地雷達技術廣泛應用于公路路基、路面和鋼筋混凝土路面結構層厚度檢測，以及工程質量評價和結構層厚度測試等領域，為這些領域提供了一種高效、準確的探測方法。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某高速公路建設線路K33+356~K93+920地下存在大量沉陷、裂縫、坑槽等病害。為探明該公路建設線路地下病害發育情況，明確高速公路建設難點，確定道路病害解決對策，同時為道路施工設計提供技術支撐，采用探地雷達對K33+356~K93+920段沿線地下病害分布情況進行探測。檢測線路長度約為11 km，由于受到地形和地質限制，大部分道路均使用點測方法，采用100 MHz雷達天線開展探測工作，采用時窗為300 ns，探測深度約為15~20 m，采樣點距為0.5 m。

2.2 道路內部損傷情況

以1 000 m為基準劃分單元段落，根據探地雷達對道路內部損失結果，統計不同道路單元沉陷面積、脫落空體積及裂縫率，并繪制道路病害分布圖，以此來直觀地表征該高速公路建設路段不同類型病害分布情況[6]。其中，道路裂縫率計算公式如下所示：

式中，r——裂縫率（m/1 000 m2）；s——檢測區域面積（m2）；l——裂縫程度，包括縱向和橫向裂縫（m）。

圖1所示為道路裂縫病害分布情況。從圖中可以看出，該段道路裂縫病害較多，主要集中于道路基層和面層，土基和底基層裂縫病害相對較少。該段道路裂縫病害較為嚴重的路段分別為K112+000~K118+000、K89+000~K99+000及K77+800~K80+000基層和面層位置[7]。

圖1 道路裂縫病害分布圖

圖2所示道路空洞病害分布情況，由圖可知該段道路空洞病害主要集中于基層和面層，底基層空洞病害相對較少，土基無空洞病害。該段道路空洞病害主要分布于K107+000~K113+000、K99+00~K102+000、K87+000~K95+000、K77+800~K80+000，以上路段空洞病害較為嚴重，此外K112+00~K119+000、K115+000~K119+000、K107+000~K117~000路段病害嚴重程度相對較低。

圖2 道路空洞病害分布圖

圖3所示為道路沉陷病害分布情況。通常情況下道路沉陷病害主要由土基層陷落所引起的，因此針對該病害主要檢測土基。由圖可知該段道路沉陷病害主要分布于K84+000~K86+000、K88+00~K94+000、K110+000~K116+000，以上幾段道路沉陷病害較為嚴重，呈現集中沉陷情況。

圖3 沉陷病害分布圖

從圖1~3可以看出，該段高速公路裂縫病害較為嚴重，沉陷病害和空洞病害相對較輕，可見該段高速公路裂縫為主要病害。根據探地雷達檢測結果分析得知，該段道路病害產生的原因包括以下幾方面：一是道路在溫度和荷載雙重作用下出現疲累裂縫；二是土基土質不穩定出現土基下沉現象，進而導致道路結構層脫落出現空洞病害；三是道路空洞病害在車輛荷載作用下會引發裂縫病害。另外，該段道路底基層和基層采用半剛性結構材料，由于受材料特性影響，道路底基層、基層出現溫縮和干縮裂縫[8]。

2.3 路面結構層厚度

為簡化分析工作量，選擇具有代表性的路面內部和表面狀況路段K90+000~K100+000進行分析。

圖4所示為高速公路各結構層裂縫率分布曲線。從圖中可以看出，該段道路水穩基層、瀝青面層開裂程度相對嚴重，其中水穩底基層開裂問題相對較輕。從變化曲線來看，不同結構層裂縫率分布規律基本一致，尤其是水穩基層和瀝青面層裂縫率分布規律一致性較高。由此可見，該段道路結構層裂縫病害主要為干縮裂縫和溫縮裂縫；而瀝青面層裂縫病害主要為底基層、基層干縮裂縫和溫縮裂縫，并且該病害具有向上發展的趨勢，并最終形成反射裂縫[9]。

圖4 道路各結構層裂縫率分布

該路段底基層雷達影像較為模糊，并且底基層積水較多，水穩基層－底基層、瀝青面層－水穩基層、空氣－瀝青面層三個界面清晰看見，但是水穩底基層－路基層無法明確辨識，由此可見該路段底基層受積水的影響較為嚴重。造成雷達影像模糊不清的原因是底基層水介電常數為81，大于底基層介電常數，并且由于水與路基材料介電常數差距較大，導致電磁波混亂無序，進而使得雷達影像模糊。

底基層出現大量積水的原因主要包括以下幾點：一是該道路段所處區域為海洋性亞熱帶季風氣候，年降雨量相對較大；二是該道路中央分隔帶不具備隔水作用；三是道路結構層與中央分隔帶的隔水措施相對較差，導致雨水通過中央分隔帶滲入道路內部。

3 結論

探地雷達技術作為一種新型的無損檢測方法，在高速公路建設中發揮了重要的作用，其通過快速、無損、準確的特點可以為施工提供高質量的施工資料，保證了施工質量；同時可以發現工程建設中存在的問題，從而提高工程建設質量。因此，在高速公路建設中應根據工程具體情況選擇探地雷達技術進行檢測。從探地雷達檢測結果來看，該路段裂縫病害較為嚴重。實際上所有的道路病害均是道路內部結構和整體結構承載能力弱化的表現，在實際施工過程中應針對裂縫、空洞和沉陷病害展開針對性的養護。