地质雷达在公路病害预防性养护中的应用

■吴少峰

(福州市公路局长乐分局，福州 350004)

0 引言

随着我国公路建设的飞速发展， 通车里程逐年增加， 但运营中出现的病害缺陷也日益增多， 如路基沉降、路面及桥面破碎、边坡失稳等，影响公路的服务水准和使用寿命。因此，快速精准的进行检测，发现病害缺陷，及时预防养护，不仅可维持公路的服务水准，而且可延长使用寿命，降低养护成本。目前，传统的检测方法效率低，代表性差，偶然性较大，经常需破坏路基路面及构造物，且影响正常交通秩序。20 世纪80 年代开始， 地质雷达(GPR) 技术以其便捷、 无损、 高效、经济、操作简单、抗干扰能力强、结果直观等优越性，广泛应用于隧道地质超前预报[1]、路基边坡稳定监测[2]和挡墙质量检测[3]、路面厚度检测[4]、桥梁桩基检测[5]、预应力注浆检测[6]等建设工程中，成为一种重要的检测手段。但截至目前， 地质雷达在公路养护工程中少有应用，未体现出其在养护工程中的优势。 本文结合养护工程背景，通过地质雷达检测结果与传统试验结果相对比，验证地质雷达检测的效果和精度，并总结应用的经验，供公路养护工程参考。

1 地质雷达工作原理

地质雷达是运用高频电磁波的反射探测目标体，其基本工作原理是利用一个天线向介质(目标体)发射高频宽频带的短脉冲电磁波， 另一个天线接收介质界面反射回的电磁波。电磁波在介质中传播时，其波形、电磁场强度、 路径将随通过介质的几何形性和电性质变化而变化，通过分析接收波的波形、波幅、旅行时间等参数，就可以推断出介质的结构(如空洞的形状和位置)[2][8]。地质雷达设备包含主机、天线、数据线及电池等配件，其中雷达天线的频率直接影响着探测范围、深度和分辨率， 针对不同的目标体选用合适的频率对检测的精度及分辨率占主导作用。

2 地质雷达在路基工程中的应用

(1)适用范围

基于地质雷达的工作性能，结合路基的工程特性，其可应用于路基沉陷、路基压实均匀性、边坡变形、挡墙质量及管线埋置位置等方面的检测。 可快速且较为准确的判定路基、边坡和挡墙的薄弱部位和病害程度，为病因分析和维修加固提供依据； 同时， 可判断出路基、 边坡和挡墙中管线的位置， 避免维修加固时造成损坏。

(2)仪器设备选择

根据路基的工程特性，频率为100MHz、500MHz、800MHz 的3 种天线较常使用，各频率天线的适用范围归纳如表1 所示。

表1 路基工程检测频率适用范围表

(3)工程实例

①概况： 某县道X254，K9+124 处为(2×5)m 钢筋混凝土板桥，位于江边，常年受潮水冲刷，台后路面产生不同程度的下沉且侧墙外鼓。为确保桥梁的正常使用，对台后路基进行检测，判断病害成因，为修复提供依据。

②仪器选用和测试方案：探测前，先了解台后路基与周围介质是否有介电常数差异。根据侧墙的高度分别选用100MHz 和500MHz 天线进行探测。 为实现立体检测，分别布置了两条纵线、两条横线。

③图像判释：图1 是500MHz 天线沿道路纵向探测的台后路基灰度图，从图中可以清晰的分辨出桥梁(蓝线)、管线(紫线)、路面结构层(红线)及路基的边界。从路面结构界面的形状可知台后路面最大沉降量达30cm， 台后8m 范围内路面基层和路基界面反射信号强，存在脱空，基层与路基粘结被破坏，可初步判定路基沉陷长度[9]。路面2.6m 以下路基发生强振幅反射，雷达波呈现出的波形相对均一，有一定规律的多次强反射现象，可判断该处路基含水量较大[2]，说明涵墙已透水，2.6m 以下的路基已浸水， 与涨潮水位对应。 图2 是100MHz 天线沿道路横向探测的台后路基波形图(右侧为临江侧)，从图中可以知横向3 m，深2 m；横向6m，深2 m； 横向1～3 m， 深3.5～4m； 横向5～7 m， 深4～5m；横向3～5m，深5～6m 共5 处出现同相轴缺失现象，可判断该处可能出现局部沉陷[2]。结合图1 和图2，可初步确定路基沉陷的位置和范围。 经现场开挖和相关试验，上述结论基本都得到的验证，误差在10cm 内。台后注浆修复后的检测可参考文献[10]。

图1 纵向500MHz 灰度图(单位：m)

图2 横向100MHz 波形图(单位：m)

3 地质雷达在路面工程中的应用

(1)适用范围

结合路面工程的特点， 地质雷达可应用于路面脱空、角隅钢筋、拉筋及植筋尺寸及间距、混凝土及沥青路结构层面厚度等方面的检测。可快速且较为准确的断定路面脱空位置及尺寸、钢筋布置情况及结构层厚度等参数。

(2)仪器设备选择

针对路面工程， 建议选用800MHz 和1.6GHz 2 种雷达天线进行相关构件检测，适用范围如表2 所示。

表2 路面工程检测频率适用范围表

(3)工程实例

①概况：某省道S303，K0+600 处绿化带路缘石底部路基掏空，长度约5m，部分绿化带陪植土流失。为确保路面(厚度24cm)的通行安全，采用地质雷达对掏空路段的混凝土路面进行检测，判断混凝土面板是否脱空及脱空范围，分析病害成因，作为修复的依据。

②仪器选用和测试方案：探测前，先了解路面与周围介质是否有介电常数差异。根据混凝土面板的厚度选用800MHz 的天线进行探测。 根据路缘石下方的掏空情况，布置两条20m 长的纵线进行检测。

③图像判释：图3 是800MHz 天线沿路面纵向探测的灰度图，可以清晰的分辨出雨水井(蓝线)、管线(紫线)、路面结构层(红线)的边界。从图3 中可知混凝土面板厚度在22~25cm 之间，与设计厚度基本吻合； 8~10m、19~20m 两段路基明显下沉。其中8~10m 路段位于雨水井附近，由于施工压实不到位或后期雨水井排水等影响，造成沉降约10cm；19~20m 为桥台后填土，存在工后沉降，沉降量在6cm 左右。12.5~13.5m 段、16~17m 段2 处出现同相轴缺失现象，路基存在脱空[2]。经现场开挖和相关试验， 上述结果基本符合实际， 误差较小， 其中路面厚度与沉降量精度在1cm 内， 脱空及沉降范围精度在10cm 内。

图3 纵向800MHz 灰度图(单位：m)

4 地质雷达在桥梁工程中的应用

(1)适用范围

根据桥梁工程的特点，地质雷达可用于桥面结构层厚度，角隅钢筋、拉筋及植筋尺寸及间距，构件结构尺寸和构造、钢筋布置情况及保护层厚度，预埋件位置及埋置深度等方面的检测。可快速且较为准确的判定桥面厚度、保护层厚度、钢筋布置、构件尺寸、预埋深度等参数，为病因分析和维修加固提供依据。

(2)仪器设备选择

根据桥梁工程的实际情况， 建议选用500MHz、800MHz、1.6GHz 3 种天线进行检测， 适用范围如表3所示。

表3 桥梁工程检测频率适用范围表

(3)工程实例

①概况：某县道X354，K0+260 处为一座钢筋混凝土刚架拱桥，桥宽37m，桥长58.8m，主跨45m，水泥混凝土桥面。该桥桥面出现了纵向和横向裂缝，伸缩缝后浇带破碎， 个别微弯板混凝土掉块、 开裂， 露筋锈蚀，刚架拱片弦杆段跨中区域存在环形裂缝等病害。上述病害按设计进行了修复加固，其中为确保伸缩缝的锚固，将弦杆端部的横隔板植筋加大截面。为检验端横隔板的施工质量，用地质雷达进行了检测。

②仪器选用和测试方案：探测前，先了解端横隔板与周围介质是否有介电常数差异。并根据端隔板高度分别选用800MHz 和1.6GHz 的天线进行探测。沿伸缩缝走向布置一条横线进行探测。

③图像判释：使用800MHz 和1.6GHz 天线均可得到的清晰灰度图。图4 为1.6GHz 天线沿伸缩缝走向测量的灰度图。从图中可以清晰的分辨出微弯板(蓝线)、钢筋(黄点)、桥面(红线)的边界。可知钢筋保护层厚度在3～5cm，满足要求；钢筋间距基本在20cm 左右且比较均匀， 与设计吻合。 微弯板的厚度在10cm 左右，与实测相符。经对比，钢筋保护层与微弯板厚度、钢筋间距的精度控制在1cm 内。 在对空心板梁的探测中，发现空心板梁配筋及顶板预埋件较多，检测干扰较大，图像较为模糊，但对梁片的结构尺寸，特别是空心板梁顶板、底板厚度的测量结果还是比较准确的，故可有效地检测空心板梁施工时气囊的上浮量，控制施工关键环节的质量。

5 地质雷达在安保工程中的应用

(1)适用范围

地质雷达可用于检测防撞墙结构尺寸、钢筋布置及保护层厚度；波形护栏立柱埋深；安保工程基础尺寸及埋置深度等。从而快速且较为准确的确定安保设施的钢筋间距、保护层厚度、基础尺寸及埋深等参数，为施工质量、病害缺陷和维修加固提供依据。

(2)仪器设备选择

根据安保设施的工程特点， 建议选用800MHz、1.6GHz 2 种雷达天线进行检测，适用范围如表4 所示。

表4 安保工程检测频率适用范围表

(3)工程实例

①概况： 某省道S301， 为完善安保设施， 在K263+720 处增设钢筋混凝土防撞墙和波形钢护栏。为检验钢筋混凝土防撞墙的施工质量， 用地质雷达进行了检测。

②仪器选用和测试方案：探测前，先了解钢筋混凝土防撞墙周围介质是否有介电常数差异。根据防撞墙的高度和厚度选用800MHz 天线探测。 在防撞墙顶面沿路线方向布置一条线探测、沿竖向从顶部至路面布置一条线探测。

图5 横向800MHz 灰度图

③图像判释：使用800MHz 天线可得到的清晰灰度图， 图5、 图6 分别为沿路线方向和竖向探测的灰度图。 从图5 可清晰判断出防撞墙的结构构造、 钢筋布置、轮廓标及水泥路面的边界。从图5 可知钢筋混凝土防撞墙基础埋置深度不足，即高度不满足设计要求(设计为墙高为144cm，检测为132cm)；1 号钢筋排列较为规律， 钢筋间距为20cm， 与设计相符，3 号钢筋间距为17～18cm， 较为平顺， 与设计相符， 但0.5～1.5m 段的变截面处(绿色位置)3 号钢筋倾斜度较大，间距不均；轮廓标位置与设计相符。从图6 可知防撞墙顶面厚度约为25cm， 在离路面26cm 处存在变截面， 变截面处厚度为40cm，路面处防撞墙厚度为45cm，与实测结果较为接近， 误差在1cm 内。 通过对预埋件的探测，可知靠近地面的预埋件检测到的结构尺寸数据较为精准， 埋置较深的预埋件由于波的能量衰减及干扰等因素，检测到的数据精确较差。

图6 竖向800MHz 灰度图

6 结论

(1)通过探索地质雷达在路基、路面、桥梁及安保等工程实例中的应用，可以证明，地质雷达检测基本能满足公路工程病害预防性养护及维修加固后质量检测的要求，具有高效、无损、便捷、易操作、精度较高等优点，经济效益和社会效益明显，对公路病害预防养护和维修加固后检测具有重要的意义。

(2) 地质雷达的检测精度与天线频率、 参数选取、测点布线及周边环境等因素有关，本文经过工程实践，针对路基、路面、桥梁及安保工程的特性，提出了各种工程检测的参考频率及布线要求；并总结了地质雷达在各种工程检测中的数据精度，供同类项目参考。

(3)地质雷达检测技术相对于传统的检测方法优势明显，但也存在干扰多、检测范围不全、精度需经验纠正、对环境要求高等不足，如何通过操作方法、现场采取措施、经验数据积累和处理来弥补这些不足，需要作进一步研究，使地质雷达有更为广阔的应用空间和检测精度。

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[5]白哲，周中一.佑溪大桥愕桩桩基的地质雷达探测[J].水运工程，2008，3：120-121.

[6]杜良，刘树才，王齐仁，梁棋念，郭伟红，周璇.预应力梁板中塑料波纹管注浆饱满度探地雷达检测[J].地球物理学进展，2014，29(6)：2880-2885.

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