探地雷达在公路工程检测中的应用分析

李鹏晶LI Peng-jing

（湖南省勘测设计院有限公司，长沙 410000）

0 引言

公路在长期使用的过程中，结构性能会受到各种因素的影响，因此，需要对其进行定期检测，以保证综合性能。其中，无损检测技术能在不影响交通、不破坏公路原有结构的前提下进行检测。近年来，探地雷达作为一种无损检测设备，因具有非破坏性、速度快、精度高、携带方便、低交通影响等特点，在道路无损检测领域得到广泛应用。

1 公路工程检测要求

公路在投入使用一段时间后，由于外界因素的影响，以及施工中的一些问题，会导致路面出现不同程度的病害。因此，为保证公路工程的使用性能，必须进一步完善试验检测工作，明确公路存在的病害，并结合病害情况制定合理的养护、维修方案。

路面损坏检测中主要采用目测法和探地雷达法，目测法是一种最直观简便的检测方法，该方法是通过检测人员观测、调查，从而直接确定公路的损坏情况，直接确定病害的种类、程度、位置。探地雷达法是一种高效先进的无损检测技术，主要是通过探地雷达对路面内部结构进行勘探，再向地面接收设备发射电磁脉冲，接收到电磁脉冲后可以结合得到的数据进行分析与计算，从而得到路面受损的情况、位置。与目测法相比，使用探地雷达法检测路面病害更快速、准确，但是成本更高，对试验检测人员的专业素质要求更为严格，因此，针对可以直接观测的部位采用目测法，针对无法观测的位置采用探地雷达法。

早在1904 年，德国人Letmbach 实现了雷达的第一次应用，在远距离金属物体探测中应用了电磁波信息技术。1910 年，Lowy 教授和G·Leimback 将雷达技术用于探地。从19 世纪70 年代开始，探地雷达的应用范围扩展到隧道工程和公路、铁道探测领域，到80 年代后期，西方发达国家已经很成熟地将雷达技术应用在公路检测领域。1994年，美国发明了第一台公路型探地雷达，同时应用了雷达技术，解决了探测公路结构层病害的问题。20 世纪90 年代初，吉林省某单位第一次使用探地雷达检测了高速公路，随后河北某单位使用探地雷达检测了公路的厚度，广东物探队实现了机场跑道病害检测，往后几年，探地雷达被我国的技术人员应用到许多工程领域，如隧道、铁路、公路和桥梁等。近十几年，随着现代化技术不断发展和应用，以及国外相关公司（如瑞典MALA 公司、美国GSSI、意大利IDS 等）对探地雷达研发的不断精进，使得探地雷达技术越来越成熟。本文主要围绕探地雷达在公路工程检测中的应用展开详细分析。

2 探地雷达检测原理及其应用要点

2.1 探地雷达检测原理

探地雷达是一种利用电磁脉冲能量进入地面，从地面成分及物体中产生反射的技术。探地雷达发射的电磁波进入地面，在通过不同介质时，会发生相应的反射，通过分析接收到的反射波波形、振幅强度等信息，然后通过软件对这些反射波进行分析，并将其转化为平面图或地图投影，判断出地下病害的位置、范围、大小、深度等情况，实现了对公路内部情况的“透视”，为公路的安全进行深度“体检”。

探地雷达是由一体化主机、天线及相关配件组成，其基本原理是通过发射天线、接收天线以及主机共同工作。探地雷达检测基本原理见图1，探地雷达探测公路病害时的工作原理见图2。电磁波由空气进入路面的混凝土层，会出现强反射（对应地面，并且由于空气中电磁波传播速度较快，这时地面对应的是负相位）；同样，当电磁波由混凝土至路基，继而由路基传播到岩层时，如果交界处贴合不好，或存在空隙，亦会导致雷达剖面相位和幅度发生变化，由此可确定公路病害。电磁波遇到以传导电流为主的介质，如地下中存在的金属管线，会出现全反射，接收到的能量非常强，在雷达剖面上显示强异常，以此可确定管线分布情况。

图1 探地雷达检测基本原理

图2 探地雷达探测公路病害时的工作原理

2.2 探地雷达数据处理

雷达数据处理需采用专业的处理软件，根据道路检测雷达波的特点，数据处理流程如下：

①偏移处理。从现场采集的探地雷达原始数据，往往会出现振幅正负半周不对称的情况，这是数据含有直流漂移量造成的，需要对数据进行偏移处理。

②静校正。在雷达数据处理过程中，通常要将雷达数据校正到一个统一基准面，而且这个基准面一般为道路表面。

③能量增益。其就是对雷达图像的增强处理，因为在地下有的反射处反射信号很强有的地方反射又很弱，强的信号会压制弱的信号，所以需要对雷达信号进行增益处理。

④数字滤波。探地雷达在进行检测时，由于受现场多元环境的影响，使得环境中存在的噪声频谱既有低频也有高频，需要对雷达信号进行带通滤波处理。

⑤滑动平均。滑动平均是根据小波去噪的原理剔除信号里的噪声和毛刺，让图像更加干净和平滑。

2.3 探地雷达应用要点

探地雷达在公路工程检测中的应用主要分为以下几个步骤（图3）：

图3 探地雷达检测基本流程

①搜集资料和踏勘现场，目的是对周围环境、地下介质及地形进行了解，另外，也是为了掌握周边工作环境、交通及干扰等情况。

②开展探地雷达检测，首先是进行天线的选择和测线的布置，主要是为了保证探测质量；随后进行数据采集，收集由多条波形记录组成的雷达图像；探地雷达数据采集分为普查和详查两种，根据不同区域采取不同的检测方式，并对异常区域进行标记和坐标定位，目的是为了确定病害位置。

③对病害进行分类，确定病害等级。

④针对病害提出相应对策。

3 实例探析探地雷达在公路工程检测中的应用

3.1 项目概况

某道路路面为高速公路沥青路面，其沥青路面结构为4cm AC-13C 沥青混合料的上面层+6cm AC-20C 沥青混合料的中面层+8cm AC-25C 沥青混合料的下面层+36cm水泥稳定碎石基层+18cm 石灰粉煤灰土底基层。

3.2 沥青路面破损状况

为进一步验证探地雷达技术对沥青路面半刚性基层裂缝检测结果的准确性，首先采用传统的人工方法对裂缝路段的路面钻芯取样进行破损分析。本次在道路上随机选取了47 条裂缝进行取芯，共取芯样62 个，由于取芯设备的取芯有效桶长300mm，而面层+基层设计厚度为360mm，因此取出芯样的面层与基层分离，但实际是完整的。

对所有芯样进行统计，具体的芯样统计结果如表1 所示。由于二灰土基层松散严重，导致取芯过程中，松散的灰土和碎石卡住取芯筒，钻孔附近泥浆较多，取出的基层芯样松散严重。裂缝处的病害主要为面层裂缝、面层层间不良、面层与基层层间不良、面层不密实和基层的贯穿裂缝等类型。

表1 芯样统计结果

3.3 探地雷达对路面深层次裂缝的识别应用

3.3.1 设备选择

通过对目前应用成熟的商业化三维探地雷达的前期调研，三维探地雷达主要包括频域雷达（步进频率天线）和时域雷达（同频率天线）两种类型。步进频率天线的带宽为100～3000MHz，可有效探测0.2～10m 的深度，更加适用于对未知深度缺陷的探测。而同频率天线由同一频率天线交错等距排列组成，对固定深度的探测较为精确，适用于已知深度缺陷的检测。三维探地雷达分别采用步进频率天线和同频率天线的现场裂缝测试效果对比可知，步进频率天线于路面结构内部病害识别率较低，平面图像成像效果一般，不适用于路面缺陷探测；而同频率天线能对路面病害具有较好的识别度，若采用1300MHz 高频天线阵，可进一步提高对于路面内部病害的识别精度。

3.3.2 路面裂缝识别

对经过人工步检及钻芯取样的路段进一步采用探地雷达对裂缝进行检测分析，判断沥青路面半刚性基层是否存在开裂或其他破损状况。雷达检测方法为：沿轮迹带连续检测并在裂缝处做标记，检测到的典型裂缝雷达图像如图4 所示。

通过图4 所示的雷达图像结果对比分析可知，沥青路面上产生的裂缝在路面内部状况主要分为两大类，一类为图4（a）所示，裂缝处所在的路面内部仅裂缝处出现信号增强的情况，所以路面内部仅开裂，而周边未出现松散、层间不良等病害，统一称此类裂缝为不含隐性病害的“单一型”裂缝；另一类为图4（b）所示，裂缝处所在路面内部裂缝周围均出现了信号增强的情况，因此路面内部不仅开裂，还存在松散、层间不良等病害，具有一定的病害影响范围，统一称此类裂缝为含隐性病害的“面积型”裂缝。

3.3.3 路面裂缝检测结果分析

对沥青路面面层产生裂缝的位置处采用三维探地雷达进行裂缝探测，通常使用保持雷达参数不变沿原测线对裂缝情况再次进行检测的方法进行测试。路面结构整体完善与路面结构内部有病害处的电介质常数的偏差较大，因此在雷达图像中可以看到路面结构内部病害处的雷达图像振幅变化较路面内部结构完整的更为明显。

沥青路面裂缝处检测到的结构内部状况雷达图像如图5 所示。图5 中箭头为裂缝所处位置，方框圈出了路面结构内部的裂缝变化状况。通过雷达图像对比分析可知，图5（a）处病害类型为“单一型”裂缝，图5（b）处病害类型为“面积型”裂缝且存在层间不良，图5（c）处病害类型为“面积型”裂缝且存在结构松散，雷达图像信号在裂缝位置处发生明显变化。

图5 路面裂缝处检测的雷达图像

4 结语

综上所述，探地雷达技术作为一种无损检测技术，可高效且高精度反映道路浅部地质结构信息。在公路工程运行中，应合理运用该技术有效检测公路裂缝、空洞、坑槽等病害状况以及路面厚度，检测人员通过对接收到的数据进行分析，可以得知病害存在的位置、形状，以此确定病害的程度，然后对存在的病害进行分析，采取针对性的处理措施，保证公路工程可靠运行。