探地雷达在公路工程检测中的应用前景

2016-07-16徐明波

工程与建设 2016年2期

关键词：无损检测公路工程

徐明波

(1.安徽省公路工程检测中心，安徽合肥　230051；2.东南大学交通学院，江苏南京　210096；3.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽合肥　230051)

探地雷达在公路工程检测中的应用前景

徐明波1,2,3

(1.安徽省公路工程检测中心，安徽合肥230051；2.东南大学交通学院，江苏南京210096；3.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽合肥230051)

摘要：文章基于工作应用和其他研究成果的基础上，概述探地雷达工作原理，列举探地雷达应用于公路工程检测中的各种雷达波形与图像特征，并对此进行解释，预测探地雷达技术发展方向，展望探地雷达在公路工程检测中的应用前景。

关键词：公路工程；探地雷达；无损检测

1路基工程检测中的应用

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)，是一种高效无损探测仪器，目前已广泛应用于公路、机场、隧道、建筑、地下管线及地勘等诸多工程领域。

相对于传统的钻孔取芯和室内试验方法，采用探地雷达对路基进行检测，具有快速、无损的特点，对于普查路基质量状况，准确确定路基病害范围，分析判定病害成因和种类，尤其对路基深层病害和地质情况的探测能力，具有无可比拟的优势。

1.1路基不密实和高含水区

路基不密实病害一般是由于公路在建设初期压实不够或局部受水浸泡松软引起，不密实区域内的路基土含水率或孔隙率比周围密实区大，由于不密实区土与周围密实区土存在着电性差异，在雷达波形图中常表现为不密实区边界的反射波同相轴明显错动，分层不明显，不密实内部区域波形相对较均匀，通过波速和时长可计算出不密实区的深度和区域范围，据此可应用于路基不密实区和高含水区探测。

1.2路基脱空

探地雷达在探测路基脱空时，脱空空洞会使多次反射波很强，且持续一段时间，侧向反射波不太强，具有局部孤立的特点。

反射的相位与入射波同向，与路基层表面的反射波相位相反，只要确定空洞上、下表面反射波相差时间，即可确定空洞深度和范围，从而实现对路基脱空病害的探测。

1.3路基沉陷

路基沉陷会导致路基断面变形和层位移动。路基沉陷异常在雷达剖面上主要表现为同相轴不水平，呈现一定的倾斜度，倾斜的深度与宽度则反映路基沉陷的范围，依此实现对路基沉陷病害的探测。

1.4路基开裂

路基裂缝病害雷达探测如图1所示。

图1　路基裂缝病害雷达探测图

由于地下裂缝、不均匀体对雷达波的电磁驰豫效应和衰减、吸收，使雷达反射波波形局部发生畸变，畸变程度与地下裂缝、不均匀体的规模有关。路基中若存在空洞裂缝等，在雷达图像上主要表现为呈低频、大振幅特征的不规则强反射波及对正常结构层反射波同相轴的扭曲、错动等。图1(a)所示为某市政道路路基裂缝病害探测图，通过图像解析，可知L2横测线2.5～4.5 m位置、1.5～9 m深度范围的雷达反射波同相轴不连续，推测地层结构已受扰动；5～11 m区域的直线标注位置反射波同相轴错动，推测已形成裂缝。

1.5路基软卧层及滑动面

路基软卧层、滑动面造成地层发生突变，两侧土层或土壤性质发生变化，表现在地质雷达时间剖面上为反映地下地层界面上的雷达反射波同相轴明显错动，滑动面越严重，特征越明显。

通过雷达波反映滑动面两侧反射波波形的不同，可判断滑动面的位置和走向。图1(b)中L1横测线0～2 m区域为路边栏杆干扰较严重，测线2～5 m位置、1～3 m深度范围雷达反射波同相轴不连续，推测地层结构已受扰动；5.5～6.8 m位置、5～6 m深度范围的异常形态推测为管道施工形成的空洞；5～10 m区域的斜线标注位置反射波同相轴错动，推测该位置已形成滑动面。

2路面工程检测中的应用

2.1基层缺陷检测

基层缺陷检测典型雷达剖面如图2所示。

图2基层缺陷检测典型雷达剖面图

(1) 基层松散。基层产生部分范围松散时，与周边较均匀的介质之间会存在某些材质差异，当雷达波穿透该松散区时，介电常数会发生变化，从而在雷达剖面图上表现为波形较紊乱，与正常路段雷达图像相比，层状波形少，与空洞异常相比，多次反射波相对较少[1-3]。基层松散典型雷达异常剖面如图2(a)所示。

(2) 基层局部脱空。基层局部脱空在雷达剖面上表现为多次反射波非常发育，波形呈上拱的弧形[3]，如图2(b)所示。

(3) 基层破碎检测。基层局部路段因密实度不均匀、填筑不密实，受到超重荷载的反复冲击，加之地表水和地下水的影响而产生严重损坏，表现在雷达图象上为反射波波形杂乱，起伏不定[3]，如图2(c)所示。

2.2面层施工质量检测

2.2.1沥青面层厚度

沥青路面结构层厚度是根据电磁波在各结构层交界面的反射时间和各结构层内的传播速度计算得到，而反射时间可通过雷达数据采集与分析软件自动求得，波速一般通过钻孔厚度标定或波幅计算求得，据此可算出面层厚度。

2.2.2沥青面层压实度及空隙率

利用探地雷达检测沥青面层压实度主要是通过室内试验建立压实度与沥青混合料复合介电常数的关系式，检测时，根据雷达反射波波幅求出沥青结构层的复合介电常数，再利用此关系式便可求出压实度，而空隙率与压实度是相互关联的2个指标，这样也同时可测出空隙率。

2.2.3路面病害检测

(1) 沥青面层剥落。美国得克萨斯交通学院研究发现，当沥青层未剥落时，GPR测试时的回波中仅有2个波峰，一个出现在路表，另一个在沥青面层与基层的界面；当出现剥落时，回波中路表反射与基层、面层界面反射间多了一个波峰；当剥落程度较严重时，该波峰峰值增大，还发现1 GHz的空气耦合式喇叭天线对剥落的识别效果较好。

(2) 路面结构层裂缝。利用多层均匀层状介质中垂直裂缝的雷达波响应特征表现为一簇顶点位于裂缝铅垂线上的双曲线波组，包括一次散射波和二次散射伴随波，且伴随波双曲线的顶点分别与各介质分界面反射波同相轴相切的图像特征，可探测路面结构层裂缝[4]。

(3) 水泥混凝土面层脱空。当路面积水未及时排出时，可能导致地表水下渗，使面层与基层之间逐渐疏松，局部甚至脱空。此时，层间介质的介电常数差异较大，依据雷达波的界面反射与波的传播特性，反射波明显、传播速度降低。根据反射系数强度变化判定脱空层的存在，再根据反射系数符号的正负，判断脱空层的性质。由计算得知,脱空层的存在将使该处的反射系数增大2～3倍,从而可用探地雷达成功探测脱空[5-6]。

3隧道工程检测中的应用

3.1隧道衬砌中钢筋

探地雷达检测隧道衬砌时，衬砌中的钢支撑及钢筋网均属于金属导体，雷达波从水泥混凝土介质入射到导体表面时，由于金属导体中电磁波速为0，不能传播。钢筋对于电磁波的能量几乎全都反射回来，反射系数接近1。用高频天线探测，钢筋形成清晰的反射弧，呈半张开的伞形。因此，能可靠地检测出钢筋网密度、钢筋粗细及布置位置[7]。

3.2隧道衬砌厚度

衬砌为混凝土组成，与围岩材质不同，介电常数不同，当雷达波穿透衬砌和围岩时，围岩的反射波明显，高频波多，混凝土较均质时内部反射波较少，只在缺陷处有反射波，内部反射波的高、低频率特征明显不同，可区分不同物质界面,据此可以检测出衬砌的厚度[8]。

3.3隧道衬砌空洞及脱空

由于空洞及脱空与围岩的介电常数差异较大，故在空洞处会产生明显的强反射，雷达波形呈典型双曲线形状，由雷达波形图和剖面图解释，可计算出衬砌内空洞的位置及大小，如图3所示。

图3　某隧道衬砌空洞典型雷达剖面图

图3中18.5～19.5m和29～30 m段雷达波形呈双曲线形状，为二衬砌与初期支护间空洞。

3.4隧道施工超前预报和监控

(1) 断层和破碎层。雷达波穿越断层或破碎层界面时反射波强烈,反射面的波幅增强, 反射波同相轴的连线即为破碎带的位置。

(2) 溶洞和空洞。雷达回波特征基本相似，灰度图上表现为一组弧形强反射波,其后常伴随一组幅度较低的多次强反射弧。小空洞的弧形表现明显,大空洞往往表现为波浪形的强反射或呈亮白色。

(3) 富水层和地下水。雷达波对水和含水率高的介质反射强，反射波强度大；从含水层反射的雷达波，相对于入射波，其相位会反相(相差180°)，高频成分被吸收，反射波的频率降低，以此判断地质中的富水层或地下水。

4桥梁工程检测中的应用

4.1桥头搭板脱空

如图4所示，桥头搭板脱空反映在雷达剖面上，与下部整体脱空的图像较相似，同相轴比较长，但波长不一样，图形与混凝土路面脱空有一定相似性[3]。

图4　桥头搭板脱空典型雷达剖面图

4.2梁板预应力管道灌浆密实性

预应力钢绞线孔道压浆中有空洞时，雷达图形表现为低频高振幅反射波，开口向下圆弧形同相轴，缺陷埋深浅，圆弧开口较小，反之开口大，预应力钢绞线孔道压浆中缺陷为矩形空洞，雷达图像为低频高振幅反射波，同相轴中部为平板，两端为半支开口向下圆弧[9]。

4.3其他应用

(1) 水泥混凝土内部缺陷检测。水泥混凝土内部若存在离析、空洞等缺陷时，缺陷部位与非缺陷部位的介电常数会存在差异，电磁波穿透界面时会产生强反射，且波形不连续，结合波速和反射波传播时间，从而可实现对混凝土内部缺陷的空间定位和形态判断。

(2) 梁板孔腔积水探测。桥梁运营过程中，梁板顶部出现裂缝或破损，会使雨水渗入孔腔积水，或由于施工造成的梁板内孔腔积水，长期积水后会引起梁板内钢筋锈蚀，降低桥梁承载能力和耐久性。利用混凝土和水的介电常数值差异较大，探地雷达可识别出梁板孔腔内有无积水。

5结束语

随着探地雷达检测技术的提高，其应用范围将不断扩大，同时也要求探地雷达系统具有更高的分辨率和更大的穿透深度，提供更丰富的介质信息。研发应用变频天线可使雷达系统变得更加轻巧和方便，它可用各种频率扫描并进行综合分析，从而获得更丰富的介质信息，克服单频率雷达系统缺陷，并可实现时间倾角扫描叠加技术，实现对检测对象的高质量三维成像，这是探地雷达发展的新方向[10]。在探地雷达数据处理方面，反褶积和偏移技术是当前的两大热门课题。开发精度更高、实现对数据与图像自动识别、分析处理，以及各种专用探地雷达将是一个新的研究课题。

〔参考文献〕

[1]吕小武.探地雷达在路面基层检测中的应用研究[D].长沙:长沙理工大学,2008.

[2]董茂干.探地雷达在公路检测中的几个技术问题的研究[D].石家庄:石家庄经济学院,2008.

[3]王法雨.探地雷达在高速公路改扩建工程中的应用探讨[J].交通标准化, 2011(9):172-175.

[4]范跃武,李修忠,白兴盈.探地雷达检测公路结构层裂缝实用方法研究[J].公路交通科技, 2007,24(6):1-7.

[5]张娟,台电仓,赵述曾.探地雷达在水泥混凝土路面改造中的应用[J].公路交通技术, 2007(2): 29-32.

[6]白冰,周健.探地雷达测试技术发展概况及其应用现状[J].岩石力学与工程学报,2001,20(4):527-531.

[7]江玉乐,黄鑫,张楠.探地雷达在公路隧道衬砌检测中的应用[J].煤田地质勘探,2008,36(2):76-78.

[8]张伟.引水隧道工程中地质雷达检测技术应用综述[J].山西水利科技,2014(3):42-43.

[9]范跃武,李修忠,白兴盈.地质雷达在预应力梁钢绞线孔道注浆质量中的研究[J].四川理工学院学报(自然科学版),2012,25(4):75-78.

[10]杨峰,张全升,王鹏越.公路路基地质雷达探测技术研究[M].北京: 人民交通出版社,2009.

收稿日期：2016-04-01；修改日期：2016-04-11