GPR无损检测技术在道路病害检测中的应用

宋大鹏， 杨 进

(深圳高速工程顾问有限公司)



GPR无损检测技术在道路病害检测中的应用

宋大鹏， 杨 进

(深圳高速工程顾问有限公司)

采用GPR技术对梅观高速公路改造段的原有混凝土道路质量情况进行连续扫描数据采集，通过这些大量采集的数据对道路原有混凝土的厚度、钢筋分布、板底脱空等情况进行评价，全面反映了原有道路混凝土路面板的质量及其存在的质量缺陷，改变以往一贯不连续、数据采集少，反映不全面的破坏试验检测。

扩建改建工程；道路病害；无损检测；GPR技术

1 工程概况

梅观高速公路扩建工程是深圳市高速公路网规划“七横十三纵”中的一条纵向高速公路，同时也是广东省规划珠江三角洲二环高速公路的重要组成部分。梅观高速公路南接梅林海关，经皇岗路延伸到亚洲最大的陆路口岸—皇岗口岸，北与莞深高速公路相通，形成了深圳—东莞高速直通干道新局面。

为了更好的满足交通量增长，适应区域经济发展，进一步完善深圳市高快速干线路网及广东省高速公路网功能，提高梅观高速公路的行车舒适性，深圳高速公路股份有限公司决定对梅观高速公路进行扩建。梅观高速公路改造段全长18.862 km，其中起点至清湖立交段为双向六车道，路基宽31.5 m，清湖立交至终点段为双向四车道，路基宽24.5 m，此次扩建全线按双向八车道加宽，标准路基宽41 m。

2 探地雷达检测的基本原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)也称作地质雷达，是一种利用地下介质对广谱电磁波的不同响应来确定地下介质分布特征的地球物理技术。探测时，探地雷达由发射天线向隧道实体发射某一中心频率附近的高频、宽带的短脉冲电磁波。电磁波在隧道实体介质中传播时，其振幅、相位和频率等波形特征会随介质的特性、几何形状等变化而变化，经隧道实体或目标体反射而返回表面，被另一天线R所接收。探地雷达接收天线则记录下反射回表面的电磁波，通过分析所穿过介质的相关信息，以确定道路混凝土实体的厚度、钢筋分布、底板脱空等质量状况或存在的质量缺陷分布。

3 现场数据采集

3.1 检测设备

现场检测仪器设备采用的是美国地球物理勘探公司(GSSI)推出的新一代探地雷达系统(SIR-3000型探地雷达)，该系统具有多通道、多天线、扫描快、低噪声等优点，既可以连续测量，也可以点测。天线配置主要从分辨率、穿透力、稳定性三个方面综合衡量，通常选用400 MHz和900 MHz的屏蔽天线。

3.2 测线布置方式

本次试验检测沿道路方向采用纵向测线布设，对于问题比较集中的地方，加密布线或者横向布设测线。纵向布置测线的优越性：可连续检测，防止遗漏，检测覆盖范围广，检测效率高。

公路技术状况评定标准中5.3.1检测与调查方法对于路面破损状况检测的规定是：路面破损状况检测，宜采用自动化的快速检测方法，条件不具备时，可人工检测。采用快速检测设备检测路面破损时，应采用连续检测，横向检测宽度不得小于车道宽度的70%。采用人工方法调查时，可采用抽样调查方法，抽样规模为10%左右(每公里取100 m，或者每个子路段选取10%的子路段长度)。

由其规范可看出人工破损检测方法存在以下缺点：一是工作量大，且效率很低；二是不能连续作业，不能很好反映工程实体的整体质量及其存在质量缺陷。

3.3 相对介电常数的标定

介电常数是一个无量纲物理量，它表征一种物质在外加电场情况下，储存极化电荷的能力。自然界中物质的介电常数最大的物质是水，介电常数为81，最小的是空气，数值为1。工程状态下的岩土介质，其介电常数的主要差异决定于含水量的大小。

在已知埋地目标体的厚度h，假设雷达位于目标体正上方时测量的双程行进时间为t。然后将雷达移至目标体水平距离x处测量双程行进时间t1，则道路混凝土的波速为

从而可以得到隧道衬砌的相对介电常数ε0为

3.4 天线中心频率选择

在保证分辨率且场地条件允可时，尽量使用中心频率低的天线。天线的中心频率可由下式确定

式中：x为空间分辨率。在一般公路道路质量检测中，通常选用中心频率为400MHz和900MHz的屏蔽天线。

3.5 扫描时窗选择

扫描时窗的选取既不能选得太小丢掉重要数据，也不能选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度h为目标深度的1.5倍。根据探测深度h和介电常数ε，可确定下式估算采样时窗长度(Range)：

3.6 其他参数的选择

扫描样点数：1 024sample/scan；增益方式：一般取5点自动增益方式；采集方式：连续剖面测量；采样频率：15倍的天线中心频率。

4 数据的处理

探地雷达资料处理的主要任务是，利用雷达探测的基本原理及电磁波在介质中的传播规律和数字信号处理的方法在计算机上对采集的雷达数据进行有效处理，得到记录中与隧道结构信息的位置、形态、结构和大小等有关的信息，为后期的反演解释提供依据。数据处理的主要目的是抑制随机干扰和有规律的干扰，最大限度提高探地雷达的分辨能力，提取电磁反射波的各种有用参数，来解释不同介质的物理特征，进而实现雷达信号特征的识别。将野外测量数据采用专业处理分析系统进行资料处理、分析和解释。数据处理对文件进行预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理，最终得到物探成果图。其中，经过背景去噪、叠加、滤波、反褶积等处理后有良好的效果。

5 结 论

采用GPR技术对梅观高速公路改造段进行了全方位扫描，全面检测了旧道路存在的质量问题，通过现场对检测存在的脱空、无钢筋信号、路基下沉、基层破损处进行了钻芯确认，验证了GPR技术在检测出质量缺陷的准确性，为参建单位提出可信依据，确保了工程的质量。

[1] 李大心．探地雷达方法与应用[M]．北京：地质出版社，1994．

[2] 刘云祯．工程物探新技术[M]．北京：地质出版社，2006．

[3] 粟毅，黄春琳，雷文泰．探地雷达理论与应用[M]．北京：科学出版社，2006．

2015-02-18

宋大鹏(1982-)，男，吉林人，工程师，研究方向：道路与铁道工程。

U445

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1008-3383(2015)11-0130-01